Краткая история Железного века и развитие металлургии

Проблема происхождения черной металлургии начала проясняться лишь в последнее время. Известно определённое число фактов, свидетельствующих о том, что железо было знакомо людям почти с каменного века. Это было метеоритное железо, содержащее много никеля и поддающееся обработке в холодном состоянии.
По мнению английского ученого А. Снодграсса, в развитии технологии железа, выделяется три стадии. На первой стадии железо встречается нерегулярно, его нельзя еще считать "рабочим", оно является в большей мере церемониальным материалом. На второй стадии железо употребляется в производственной сфере, но в меньшем масштабе, чем бронза. На третьей стадии железо становится доминирующим материалом. 
Наиболее ранние находки железных предметов из метеоритного железа отмечены в Иране (VI–IV тыс. до н. э), Ираке (V тыс. до н.э.) и Египте (IV тыс. до н.э). В Северной Африке и на Переднем Востоке знакомство с новым металлом также начиналось с самородного железа примерно в III-II тыс. до н.э. Например, в Месопотамии оно было известно в раннединастическое время (III тыс. до н.э), о чем свидетельствуют находки в Уре. 
Изделия из метеоритного железа известны в различных культурах Евразии: в ямной (III тыс. до н.э) на Южном Урале и в афанасьевской (III тыс. до н.э.) в Южной Сибири. Его знали эскимосы и индейцы северо-запада Северной Америки, и население Чжоусского Китая. 
Предлагалось немало различных теорий происхождения железа в человеческой практике. Наиболее убедительно мнение о том, что древнейшее рудное железо могло быть получено ненамеренно, как вторичный продукт сложной бронзолитейной технологии, в которой как флюс использовалась железная руда. 
По-видимому, долго не удавалось получить железо в достаточных количествах, и когда это произошло, железо стали считать даром богов, небесным металлом. На первых порах оно было очень дорогим, ценилось весьма высоко и использовалось преимущественно в престижно-социальной сфере. 
Ранние находки железа, полученного из руды, связаны с памятниками второй половины III тыс. до н.э. Месопотамии, Анатолии и Египта. Они происходят либо из погребений, либо из кладов или храмов. Железные предметы вооружения, как правило, украшены золотом, что свидетельствует об их использовании в ритуальной практике. Как показывают анализы, в данный период метеоритное и выплавленное железо было в употреблении одновременно. 
Долгое время считалось, что в Египте железо появилось очень рано, так как оно упоминалось в некоторых текстах, в частности, в Амарнском архиве. Железо было преподнесено фараону Аменхотепу в качестве подарка от племен хеттов из страны Миттани, которая находилась на востоке Малой Азии. Однако наиболее ранние железные изделия ограничивались мелкими предметами: бусами, булавками. Оказалось, что некоторые вещи попали в гробницы позже. 
Куски железа встречены в слоях II тыс. до н.э. в Ассирии и Вавилоне. Сначала и там железо ценилось так же, как золото, и вывозилось как добыча из Сирии. В текстах XIX-XVIII вв. до н.э., обнаруженных в руинах староассирийской торговой колонии Кюльтепе в Центральной Анатолии, упоминается очень дорогой материал (в 8 раз дороже золота), который продается в небольших количествах. Во дворце, построенном в 1714 г. до н.э. ассирийским царем Саргоном, были найдены таблички с надписями о его основании. В них, помимо прочего, говорится о различных дарах, в том числе, о металлах, присланных в честь этого события. Но железо уже не упоминается как ценный металл, хотя в одной их комнат дворца был обнаружен целый склад железных криц. Есть находки железа, датированные началом II тыс. до н.э. на Кипре и Крите. В памятниках позднего бронзового века Ближнего Востока железа уже гораздо больше. 
Однако повсеместное развитие новой технологии началось лишь тогда, когда люди научились добывать железо из руды. Согласно общераспространенному мнению, самое раннее железоделательное производство зафиксировано в северных районах Анатолии. Традиционно считается, что первыми освоили это дело племена хеттов, которые снабжали округу предметами роскоши, но долго хранили технологию в секрете. 
Однако этот вывод постоянно вызывает споры среди специалистов, так как он не подтверждается точными текстуальными и полноценными археологическими свидетельствами. На территории Анатолии известно много железных изделий, но местного ли они производства, установить трудно. О выплавке железа упоминается в письме хеттского царя Хаттуссили III (1250 г. до н.э.) ассирийскому царю Салмансару I относительно поставок металла. В нем говорится, что для производства железа "сейчас неподходящее время и его нет в царских хранилищах в данный момент, но оно, конечно, будет получено". В качестве сатисфакции, хеттский царь шлет ассирийскому коллеге железный кинжал. По-видимому, производство железа действительно было известно хеттам, но размеры этого производства были достаточно скромным, хотя и позволяли им торговать. 
С XIII в. до н.э. железо стало распространяться гораздо быстрее. К примеру, уже в XII в. до н.э. оно было известно в Сирии и Палестине, а к IX в. оно почти полностью вытеснило бронзу из широкого употребления и очень быстро стало предметом широкой торговли. Экспорт железа шел через Ефратскую долину и горы Северо-Сирийского союза на юг и на север – через понтийские колонии. Этот путь назывался железным. 
По современным данным, технология науглероживания и закаливания железа была изобретена в Западном Средиземноморье, на Кипре или в Палестине около XII-XII вв. до н.э. 
Армения также считается одним из районов раннего появления железа, которое там вошло в постоянный обиход в IX в. до н.э., хотя в Закавказье первые железные изделия относятся еще к XV-XIV вв. до н.э. Они найдены в комплексах погребений могильников Самтавро и Тли. Население Урарту широко использовало железные предметы. Следы черной металлургии обнаружены в Тайшебаини. 
Как уже отмечалось выше, куски кричного железа встречены на Крите и датированы XIX в. до н.э. Но местное производство железа на Эгейских островах начинается примерно в начале I тыс. до н.э. По свидетельству Б. В. Гракова, греческая традиция отмечает восточную часть Малой Азии (южный берег Черного моря), как местность, где жили племена халибов или халифов, что в переводе означает "сталь". Этот район может считаться еще одним центром возникновения черной металлургии, Возможно, от них – халибов – греки получили сведения о железе. Б. В. Граков полагает, что, несмотря на то, что в разных странах знакомство с метеоритным железом произошло довольно рано, овладение процессом получения железа произошло благодаря хеттам, митани и халибам. Однако, как мы знаем, это предположение в настоящее время не считается столь обоснованными, как ранее. 
Распространение железа в Греции совпало по времени с эпохой Гомеровского эпоса (IX-VI вв.до н.э). "Илиада" содержит всего два упоминания об этом металле, тогда как в "Одиссее" оно упоминается много чаще, но все еще вместе с бронзой. 
Допускается, что в Европу железо попало с востока различными путями: через Грецию – Балканы, или через Грецию – Италию – северные Балканы, или через Кавказ – Южную Россию – Карпатский бассейн. Ранние находки железа здесь концентрируются в основном в Западных Балканах и в Нижнем Придунавье и относятся к периоду со второй половины II тыс. до н.э. (редкие) до VIII в. до н.э. 
В Средней Европе железо появилось в VII в до н.э. Железоделательное производство было хорошо освоено кельтами к V в. до н.э., они поставляли железо римлянам и даже обучали их кузнечному ремеслу, они умели соединять мягкое железо и твердую сталь в одном предмете, получая тем самым ковкую пластину, легко поддающуюся обработке, но имеющую острый режущий край. 
В Скандинавии соперничество бронзы с железом продолжалось до начала н.э., а в Британии – до V в. н.э. По свидетельству Тацита, германцы редко употребляли железо. 
На территории Восточной Европы в курганах ямной культуры III тыс. до н.э. встречены изделия из метеоритного железа, полученные методом холодной ковки. Шлаки и руда попадаются иногда в памятниках срубной и абашевской культур на Дону. Они отмечены в комплексах катакомбной, белогрудовской культур в Приднепровье. 
Население Восточной Европы осваивало технологию добычи и обработки железа до рубежа IX-VIII вв. до н.э. В лесной полосе этот процесс проходил, главным образом, в VIII в. до н.э. Первые предметы довольно просты: шилья, долота, ножи, но в их обработке уже применялись такие операции как сварка и ковка. Уже в VIII в. до н.э. в Восточной Европе произошел перелом в металлургии. Это отмечается распространением сложных биметаллических предметов, в частности, мечей, у которых навершия отливались из бронзы по индивидуальным моделям. В это же время восточноевропейские племена рано освоили процесс цементации и получение стали. Предполагается, что биметаллические предметы изготовлялись одним человеком, знавшим обе технологии. Это косвенно указывает на то, что черная металлургия зародилась в недрах цветной. 
Таким образом, переход к производству железа в Старом Свете произошел в конце II тыс. до н.э., массовым же оно стало позже – в I тыс. до н.э. В Восточном Средиземноморье, где довольно рано был открыт процесс науглероживания, началось производство стали. Здесь железо успешно конкурировало с бронзой сразу после своего появления. 
В Сибири, богатой медной рудой и оловом, внедрение железа запоздало, здесь сравнительно долго сохранялась цветная металлургия. Например, в Западной Сибири переход к железному веку осуществлялся в период VIII-V вв. до н.э. Но лишь с III в. до н.э. она вступила в истинный железный век, когда сырьевое преобладание перешло к железу. Те же сроки можно указать для Алтая и Минусинской котловины. В лесной полосе Западной Сибири только в конце I тыс. до н.э. началось настоящее знакомство с железом. 
В Юго-Восточной Азии изделия из кричного железа появились в середине I тыс. до н.э., а во второй половине этого тысячелетия они уже широко применялись в хозяйстве. Вначале были популярны биметаллические вещи, позже – изготовленные полностью из железа. 
В конце II тыс. до н.э. в Китае также были известны биметаллические предметы, железо в них имело метеоритное происхождение. Первые известия о нем относятся к VIII в. до н.э. Настоящее же производство железа началось примерно в середине I тыс. до н.э. Но в отличие от европейских очагов, в Китае очень рано научились получать высокие температуры и отливать железо в формах, т.е. получать чугун.

Печь для производства железа в Китае.

В Африке первичным продуктом стала сталь. Здесь же изобрели высокий цилиндрический горн и предварительное подогревание подаваемого в него воздуха. Эти вещи не были известны на других территориях. Некоторые исследователи полагают, что в Африке производство железа было освоено самостоятельно без какого-либо влияния. Другие считают, что происхождение черной металлургии здесь связано с первоначальным импульсом, а далее она развивалась самостоятельно. В Нубии, Судане, Ливии железо появилось около VI в. до н.э. В Южном Заире обработка меди и железа стала известна одновременно. Некоторые племена перешли к железу сразу из каменного века. В целом, переход к железу на африканской территории охватил вторую половину I тыс. до н.э. (VI–I вв. до н.э.). Интересно, что в Южной Африке, в Великой Саванне бассейна р. Конго, где есть богатейшие залежи меди, медное производство было освоено позже железоделательного. Причем, если железо шло на изготовление орудий труда, то медь – на украшения. 
Америка характеризуется своими особенностями. Здесь выделяется несколько очагов раннего появления металла. В Андах, известных своими богатейшими запасами металлических руд, первым известным металлом стало золото, причем, зарождение металлургического и керамического производств происходило там одновременно, но независимо. С XVIII в. до н.э. и во второй половине II тыс. до н.э. здесь употреблялись золотые и серебряные вещи. В Перу первым был получен сплав меди серебра (тумбага), который высоко ценился населением Американских цивилизаций. Интересно, что медь вначале получали кузнечным способом и лишь позже стали ее отливать. В Мезоамерике металл стал известен в I тыс. до н.э., когда его начали ввозить. Лишь в VII-VIII вв. н.э. племена майя освоили металлургию. К этому времени их древнейшая государственность приходила в упадок. 
В Северной Америке первым металлом стала медь. Железо появилось в 1 тыс. до н.э. – вначале в западных районах у населения берингоморской культуры. На первых порах употреблялось метеоритное, затем кричное железо. В Австралии, черная металлургия появилась в эпоху Великих географических открытий. [1]

Рассмотрим более подробно историю развития сыродутного процесса.

 
Сыродутным процессом называют старинный способ получения железа непосредственно из руды в небольших горнах, которые вначале делали прямо в земле. Сыродутным этот способ назывался из-за того, что в горн подавали ("дули") холодный ("сырой") атмосферный воздух. Печи представляли собой ямы, вырытые на склонах холмов, чтобы можно было иметь естественную тягу. Производство стали всегда было непосредственно связано с подводом достаточного количества воздуха. Позднее, естественная тяга была заменена искусственной- воздух нагнетался в печь с помощью. Сначала разжигали уголь, насыпанный на дно горна или печи, затем сверху загружали попеременно слои руды и того же угля. В результате горения угля выделялся газ — окись углерода, которая, проходя через толщу руды, восстанавливала окислы железа. Сыродутный процесс не обеспечивал достижения t плавления железа (1537 ⁰С), а максимально доходил до 1200 ⁰С (это была своего рода «варка» железа). Восстановленное железо концентрировалось в тестообразном виде на самом дне печи, образуя так называемую горновую крицу — железную губчатую массу с включениями несгоревшего древесного угля и с многочисленными примесями шлака (при этом в более совершенных вариантах сыродутных печей жидкий шлак выпускали из горна по желобу). Из крицы, которую в раскаленном виде извлекали из печи, можно было изготавливать изделия только после предварительного деления этой шлаковой примеси и устранения губчатости. Поэтому непосредственным продолжением сыродутного процесса были холодная и, главное, горячая ковка, состоявшая в периодическом прокаливании кричной массы и ее проковывании. В результате создавались крицы-заготовки.
Исследователи полагают, что открытие сыродутного процесса произошло в результате того, что при выплавке меди или свинца из руд в плавильную печь, помимо медной руды и древесного угля загружались (в качестве флюсов) железосодержащие породы, в первую очередь гематит. В связи с этим уже при медеплавильном процессе могли получаться первые крицы, и не исключено, что медеплавильные печи могли иногда приобретать и вторую функцию — сыродутную.
Открытие сыродутного процесса — важнейший шаг в освоении железа, ибо его руда, в отличие от медной и оловянной, встречается повсюду, но получить железо из руд значительно сложнее, чем медь. Сыродутный процесс постоянно совершенствовался: увеличивались объемы печей, интенсифицировалось дутье и т.д. Но железные вещи еще долго уступали бронзовым в твердости, поскольку кричное железо почти не содержало углерода, и поэтому предметы из него были слишком мягкими. Даже после очистки от шлака кричное железо лишь немногим тверже чистой меди, а чтобы сделать его тверже бронзы, требовалась многочасовая ковка, и поэтому оно использовалось в основном для украшений и отдельных орудий труда, пока не был достигнут прогресс в обработке кричного железа.
Прогресс же этот состоял в появлении технологии цементации — т.е. намеренного науглероживания кричного железа, а также навыков закалки и термического отпуска. Открытие этих технологий можно считать 3-ей стадией процесса освоения железа, после которой непосредственно начинается Железный век. Первоначально была освоена цементация, которая на первых порах достигалась прокаливанием железного изделия или заготовки в костном угле; затем стали использовать другие органические вещества, содержащие углерод. Так появились первые, весьма примитивные стали. При этом глубина науглероживания была прямо пропорциональна высоте температуры и длительности нагревания железа. Науглероженное железо было тверже бронзы, что затем усиливалось холодной ковкой.
Вслед за этим был открыт эффект закаливания, состоящий в охлаждении раскаленной вещи из науглероженного железа в воде, в снегу или в какой-либо другой жидкости, в результате чего резко возрастает твердость вещи. Даже если не использовать жидкость, а просто оставить такую вещь на открытом воздухе, может образоваться низкоуглеродистая сталь перлитной структуры, причем чем холоднее воздух, тем она тверже. Скорее всего, как и науглероживание, процесс закалки был открыт случайно, и его физическая сущность, естественно, оставалась загадкой для кузнецов, и поэтому мы часто сталкиваемся в письменных источниках с весьма фантастическими объяснениями причин усиления твердости железных изделий при закаливании. Например, летопись IX в. до н.э. из храма Балгала в Малой Азии предписывает следующий способ закалки: «Надо нагревать кинжал, пока он не засветится, как восходящее в пустыне солнце, затем охладить его до цвета царского пурпура, погружая в тело мускулистого раба… Сила раба, переходя в кинжал… придает металлу твердость». К столь же древнему времени относится знаменитый фрагмент из «Одиссеи», созданной, вероятно, в VIII в. до н.э.: здесь выжигание глаза циклопу раскаленным оливковым колом сравнивается с погружением нагретого стального топора или тесла в холодную воду, причем Гомер не случайно обозначает последнее действие как «лечение топора» — очевидно механизм этого явления был для греков того времени столь же загадочен, и, возможно, магичен, как и врачебные действия.
 Освоение операции термического отпуска позволило снизить хрупкость изделия недостаток, присущий закаленной стали. Отпуск состоял в нагревании изделия не выше 727 ⁰С ( уровня трансформации структуры).
 В целом освоение операций цементации, закалки и отпуска — это длительный и очень сложный процесс (местами он шел до тысячи лет). Именно совершенствование технологии обработки кричного железа решило проблему конкуренции между железом и бронзой.
 В средние века горн уже обрел вид шахтной печи, достигавшей в высоту нескольких метров. Теперь печи «дышали» с помощью энергии воды - воздуходувные мехи приводились в движение сначала специальными водяными трубами, а позже огромными водяными колесами.
Более высокую ступень в развитии чёрной металлургии представляли собой постоянные высокие печи называемые в Европе штукофенами. Это действительно была высокая печь, — с четырёхметровой трубой для усиления тяги. Мехи штукофена качались уже несколькими людьми, а иногда и водяным двигателем. Штукофен имел дверцы, через которые раз в сутки извлекалась крица. Изобретены штукофены были в Индии в начале первого тысячелетия до новой эры. В начале нашей эры они попали в Китай, а в VII веке вместе с «арабскими» цифрами арабы заимствовали из Индии и эту технологию. В конце XIII века штукофены стали появляться в Германии и Чехии (а ещё до того были на юге Испании) и в течение следующего века распространились по всей Европе. Производительность штукофена была несравненно выше, чем сыродутной печи, — в день он давал до 250 кг железа, а температура плавления в нем оказывалась достаточна для науглероживания части железа до состояния чугуна. Однако штукофенный чугун при остановке печи застывал на её дне, смешиваясь со шлаками, а очищать металл от шлаков умели тогда только ковкой, но как раз ей-то чугун и не поддавался. Его приходилось выбрасывать. Иногда, впрочем, штукофенному чугуну пытались найти какое-то применение. Например, древние индусы отливали из грязного чугуна гробы, а турки в начале XIX века — пушечные ядра. Трудно судить, как гробы, но ядра из него получались — так себе.
 Металлурги давно заметили связь между температурой плавления и выходом продукта, — чем выше она была, тем большую часть содержащегося в руде железа удавалось восстановить. Потому, рано или поздно им приходила мысль форсировать штукофен предварительным подогревом воздуха и увеличением высоты трубы. В середине XV века в Европе появились печи нового типа, — блауофены, которые сразу преподнесли сталеварам неприятный сюрприз. Более высокая температура плавления действительно значительно повысила выход железа из руды, но она же повысила и долю железа науглероживающегося до состояния чугуна. Теперь уже не 10%, как в штукофене, а 30% выхода составлял чугун, — «свиное железо» ни к какому делу не годное. В итоге, выигрыш часто не окупал модернизации. Блауофенный чугун, как и штукофенный, застывал на дне печи, смешиваясь со шлаками. Он выходил несколько лучшим, так как его самого было больше, следовательно, относительное содержание шлаков выходило меньше, но продолжал оставаться малопригодным для литья. Чугун получаемый из блауофенов оказывался уже достаточно прочен, но оставался ещё очень неоднородным, — из него выходили только предметы простые и грубые, — кувалды, наковальни. Уже прилично выходили пушечные ядра. Кроме того, если в сыродутных печах могло быть получено только железо, которое потом науглероживалось, то в штукофенах и блауофенах внешние слои крицы оказывались состоящими из стали. В блауофенных крицах стали было даже больше, чем железа. С одной стороны, это казалось хорошо, но, вот, разделить-то сталь и железо оказывалось весьма затруднительно. Содержание углерода становилось трудно контролировать. Только долгой ковкой можно было добиться однородности его распределения. В своё время, столкнувшись с этими затруднениями, индусы не стали двигаться дальше, а занялись тонким усовершенствованием технологии и пришли к получению булата. Но, индусов в ту пору интересовало не количество, а качество продукта. Китайцы, а позже и европейцы, экспериментируя с чугуном, скоро открыли передельный процесс, поднимающий металлургию железа на качественно новый уровень.
 Следующим этапом в развитии металлургии стало появление доменных печей. За счёт увеличения размера, предварительного подогрева воздуха и механического дутья, в такой печи все железо из руды превращалось в чугун, который расплавлялся и периодически выпускался наружу. Производство стало непрерывным, — печь работала круглосуточно и не остывала. За день она выдавала до полутора тонн чугуна. Перегнать же чугун в железо в горнах было значительно проще, чем выколачивать его из крицы, хотя ковка все равно требовалась, — но теперь уже выколачивали шлаки из железа, а не железо из шлаков. [2]
 В конце XVIII века в Европе начали использовать минеральное топливо в доменном процессе и в пудлинговом процессе. При пудлинговом процессе каменный уголь сгорает в топке, газ проходит через ванну, расплавляет и очищает металл. В Китае даже раньше, в X-ом веке, выплавляли чугун, а далее получали сталь процессом пудлингования. Пудлингование - это очистка чугуна в пламенной печи. При очистке железные зерна собираются в комья. Пудлиновщик ломом много раз переворачивает массу и делит ее на 3…5 частей – криц. В кузнице или прокатной машине свариваются зерна и получают полосы и другие заготовки. Используются уже паровые машины вместо водяного колеса. Производительность возрастает до 140 кг сварочного железа в час.

В конце XIX века — почти одновременно внедряются три новых процесса получения стали: бессемеровский, мартеновский и томасовский. Производительность плавки стали возрастает резко ( до 6 т/час).
В середине XX века внедряются кислородное дутье, автоматизация процесса и непрерывная разливка стали. Продувка кислородом расплавленного металла в бессемеровском конверторе из-за резкого увеличения поверхности соприкосновения металла с окислителем (кислородом) в тысячу раз ускоряет химические реакции по сравнению с пудлинговой печью.
В сыродутном и кричном процессах получали одностадийным методом ковкое, качественное сварочное железо (малоуглеродистую сталь), причём имеющее небольшое количество примесей, поэтому весьма стойкое к коррозии. История сделала круг и в настоящий момент разрабатываются и развиваются технологии одностадийного процесса производства стали через обогащение руд (получение окатышей, содержащих 90-95 % железа) и выплавку стали в электропечи [3].

Литература:

1. Археология раннего железного века Евразии

2. Сыродутное литье или история сталелитейного процесса

3.  Производство металлов

Рейтинг публикации:

11




Комментарий от pl:
Статья не авторская. Скомпилировал из трех источников, которые указал в литературе (гиперссылки). Внес небольшие изменения и дополнения в стилистике. Тема кричного железа меня недавно заинтересовала (термист в прошлом), изучил и решил поделиться знаниями с Оком. На усмотрение редакции опубликовать. Некоторые моменты могут пригодиться в теме "выживания" (изготовление инструмента в "полевых условиях").

Комментарии (0) | Распечатать

Добавить новость в: