Древние технологии экстракции и обработки железа

П. И. Черноусов, кандидат технических наук, доцент Московского
государственного института стали и сплавов

Способы производства железа (стали) из руд в тиглях, помещенных в
специальные горны, подобные древнейшим горнам, применявшимся для изготовления керамических изделий, и в ямах, получивших в Западной Европе название «волчьих», стали первыми в истории человеческой цивилизации. Оба способаявляютсяметаллургическими приемами, унаследованными от освоенного ранее производства меди и бронзы с существенными усовершенствованиями, связанными с природными отличиями руд металлов и их поведением в ходе плавки. На то, что древнейшим способом производства всех видов металлов являлся тигельный, указывают многочисленные археологические находки последних десятилетий во многих регионах мира: в Малой Азии, Европе, на
Дальнем Востоке. В нашей стране, на Урале, в районе «чудских» разработок, датируемых 2-м тысячелетием до н. э., найдены медные и железные руды в глиняных горшках, а рядом с ними - металлургические шлаки вместе с
каменными и медными орудиями труда. По мнению специалистов исторической науки, тигельная плавка металлов в домашнем очаге представляла собой общедоступный кустарный способ производства, с освоением же технологии
получения металлов в «волчьих ямах» металлургия превратилась в особое ремесло - первую настоящую самостоятельную индустрию в истории цивилизации. Однако, если архаичная «волчья яма» уже к началу новой эры
была практически повсеместно вытеснена гораздо более прогрессивным
металлургическим агрегатом - сыродутным горном, то тигельный процесс
выплавки железа из руд получил дальнейшее развитие (прежде всего в странах
Азии), поскольку позволял, хотя и в небольших количествах, получать сталь
высочайшего, даже по современным стандартам, качества. В чем заключаются
отличия металлургических агрегатов, в которых обрабатывалась железная
руда, от их предшественников? Во-первых, для восстановления железа из
оксидов требовалось значительно большее количество древесного угля, чем
при плавке медной руды, где он играл лишь роль источника тепла. Во-вторых,
конструкция горна и технология плавки должны были обеспечивать существенно
более высокий температурный уровень процесса, поскольку разделение железа
и пустой породы возможно только после перевода одного из материалов в
расплавленное состояние (в данном конкретном случае - после образования
шлака). Минимальная температура формирования шлакового расплава, основной
составляющей которого является минерал фаялит (Fe2SiO4), составляет около
1200 °С. Между тем, при производстве меди и бронзы температура в печи
составляла не более 1000 °С. Поэтому для повышения температурного уровня
процесса необходимо было применение более мощных воздуходувных средств или
создание условий для интенсивного естественного притока воздуха.
Необходимо отметить, что в древности пытались снизить температуру
плавления шлака путем добавления в шихту специальных флюсующих добавок.
Известно, что в Месопотамии и Малой Азии для этих целей еще во 2-м
тысячелетии до н. э. использовалась смесь костной золы и доломита. Однако
этот способ мог давать ощутимый эффект лишь в отдельных случаях и только
при тигельной плавке.

Тигельная плавка

Тигельный способ производства
железа (стали) в Древнем мире был распространен повсеместно. Тяготение
европейской металлургии к сыродутной плавке железа наметилось лишь в
последние столетия этой эпохи. В Азии тигельная плавка просуществовала в
качестве основной металлургической технологии до конца XIX века, а в
кустарном производстве применяется до сих пор. Расцвет тигельной
металлургии высококачественной стали - так называемых вутца (вуца),
дамаска или булата - приходится на V-XIII века. Известны многочисленные
археологические находки остатков печей, фрагментов тиглей со шлаками и
невосстановленными спеками, складов руд, древесного угля и флюсов этого
периода. Исследования этих материалов, в т. ч. методами металлографии и
«практической» археологии позволили достаточно точно воспроизвести
технологию процесса. Опишем ее в том виде, в котором она применялась в
Средней Азии в IX-XII веках. Для плавки применялись тигли цилиндрической
формы высотой до 1,2 м, с внутренним диаметром до 12 см. Толщина стенок
составляла от 2 до 4 см. Материалом для изготовления тиглей служила
специальная смесь из песка и жаростойкой глины. Тигли изготавливались по
«шаблону» - матерчатому чулку. Они могли выдерживать температуру до 1650
°С. Сверху тигли закрывались полусферическими крышками с отверстиями в
центральной части для выхода газов во время плавки. В состав шихты
входили: железная руда, древесный уголь и флюсы, из которых наиболее часто
использовался доломит. Все шихтовые материалы предварительно дробились до
крупности лесного ореха и тщательно перемешивались. Шихту загружали в
предварительно обожженные тигли, которые помещались в горн и частично
засыпались гравием для устойчивости и равномерного прогрева. 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.

Сыродутный горн

Сыродутный горн стал первым
металлургическим агрегатом, специально предназначенным для производства
железа из руд. Его конструкция появилась вследствие усилий древних
металлургов, направленных на то, чтобы повысить интенсивность поступления
в агрегат воздуха, что было необходимым условием повышения температуры
процесса. Сначала для экстракции железа из руды использовали «волчьи ямы».
Кое-где их применяли даже 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 2-го тысячелетия до н. э. Широкое, практически
повсеместное распространение они получили в латенском периоде железного
века, т. е. в V-I веках до н. э. Название горна «сыродутный» (сырое дутье)
появилось в середине XIX века, 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 иногда и 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 рост человека, т. е. составляла не
более 1,5 м, и он легко обслуживался мастерами-металлургами вручную.
Температура нагрева материалов в сыродутных горнах не превышала 1300 °С,
что явно недостаточно для плавления получавшегося в результате
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 количества железа, загруженного в агрегат. Тем не менее,
сыродутный горн во многих регионах Азии и Африки просуществовал до конца
XIX века, а у народов некоторых отдаленных регионов (например, на островах
Индийского и Тихого океанов) встречается до сих пор. Рассмотрим наиболее
распространенную конструкцию сыродутного горна. Как правило, он строился
из высокоогнеупорной глины на каркасе из плетеных прутьев. Для укрепления
стенок печи часто применялись деревянные обручи, а иногда она полностью
помещалась в деревянный сруб или обкладывалась 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. Внутреннее пространство печи
представляло собой два усеченных конуса с общим большим основанием (хотя
нередко использовались и другие конфигурации: усеченные пирамиды, цилиндры
и т. п.). Горн снабжался одним или несколькими глиняными фурмами (соплами
- от старорусского «сопеть», т. е. «дуть») с диаметром, постепенно
уменьшающимся в направлении внутреннего пространства печи, и составлявшим,
как правило, от 60 до 25 мм. В фурмы вставлялись дутьевые мехи, причем
если использовалась одна фурма, то в нее вставлялись два меха,
попеременная работа которых обеспечивала относительно постоянный приток
воздуха в печь. Для выхода шлака в низу печи оставляли канал, перед
которым вырывали углубление для скапливающегося расплава. В древности
добывали главным образом руды, представлявшие собой карбонаты или
гидроксиды железа. При нагреве они выделяли большое количество газов,
препятствующее нормальному ходу процесса. Поэтому перед загрузкой в горн
руду, как правило, укладывали в кучи с дровами, разводили костры и в
течение суток прокаливали. Затем ее измельчали до крупности лесного ореха
и перемешивали с древесным углем, составляя шихту. Сыродутный горн
просушивали и прогревали, разводя внутри него на продолжительное время
костер. Затем горн примерно на две трети высоты наполняли древесным углем,
и лишь после этого укладывали шихту. Над верхней частью горна снова
укладывали древесный уголь так, чтобы образовалось небольшое коническое
возвышение. Воспламенение древесного угля осуществляли через канал для
выпуска шлака, который наполняли мелкими дровами и хворостом. Подача в
горн дутья приводила к разжиганию угля, углерод которого в условиях
недостатка кислорода горел до оксида углерода (СО). Таким образом, в печи
создавалась восстановительная среда, способствовавшая восстановлению
железа из оксидов. По мере выгорания угля и образования жидкого шлака
небольшие чешуйки восстановленного железа опускались в низ печи,
свариваясь друг с другом. Таким образом, в результате процесса,
продолжавшегося около суток, формировались одна или несколько криц. На
первых порах освоения технологии масса крицы редко превышала 1-2 кг.
Однако впоследствии научились производить крицы массой 25-40 кг, а в
наиболее производительных каталонских горнах - даже до 120-150 кг. Для
извлечения крицы из горна приходилось разрушать часть его стенок. Поэтому
каждой новой плавке предшествовали работы по восстановлению конструкции
печи, обмазка внутреннего пространства агрегата глиной, а также установка
новых сопел, прочность которых вплоть до изобретения металлических фурм
была очень низкой. Извлеченная из горна с помощью ломов или специальных
клещей крица содержала большое количество включений шлака и несгоревшего
угля. Поэтому ее подвергали механической обработке деревянными молотами
для удаления вышеупомянутых примесей. Только после этого приступали к
термомеханической обработке металла. Пути прогресса В течение более чем
двух тысячелетий тигельный и сыродутный способы экстракции железа из руд
развивались параллельно практически на всей территории планеты, где была
известна металлургия. Однако с наступлением новой эры ситуация изменилась.
На Востоке основное развитие получил тигельный способ производства. Этому
способствовали, по крайней мере, две объективные причины. Во-первых, в
Азии существовало много (по меркам эпохи) легкодоступных месторождений
природно-легированных железных руд, что позволяло получать в результате
плавки в тиглях сразу высококачественную сталь. Она использовалась главным
образом для изготовления вооружения, качество которого служило основой
агрессивной захватнической внешней политики. Во-вторых, в Азии в это время
сложилась благоприятная демографическая ситуация, которая в совокупности с
постоянным притоком живой рабочей силы из зависимых регионов и удобными
климатическими условиями позволяла в повседневной жизни обходиться
минимумом металлических орудий труда низкого качества. Поэтому для
удовлетворения потребностей сельского хозяйства и мелких ремесленников
вполне хватало хорошо известных сыродутных горнов. В Европе ситуация была
совершенно иной. Легкодоступных природно-легированных месторождений здесь
было всегда меньше, чем в Азии, а многие из известных были уже в
значительной степени выработаны кельтами. Длительное господство в регионе
Римской империи, которая практически не развивала новых методов
горно-металлургического производства, а ориентировалась на ввоз
качественных металлургических материалов из Азии, привело к застою в
отрасли. Некоторые успехи были достигнуты лишь в технологии и организации
переработки металлического лома. Крайне неблагоприятной была
демографическая ситуация, которая усугублялась экспансией и
опустошительными набегами восточных завоевателей. В сложившихся условиях
требовался новый подход к металлургии железа. Необходимо было добиваться
высокой производительности каждого отдельного агрегата, чтобы обеспечивать
потребности в инструментах всех слоев немногочисленного населения и
эффективно расходовать имеющиеся и не всегда качественные ресурсы.
Достигнуть упомянутых целей можно было только одним путем, который уже был
намечен предыдущим ходом развития металлургии: требовалось повысить
интенсивность подачи дутья в агрегат, что и пытались планомерно
осуществлять западные металлурги, начиная с эпохи Средневековья. То, что
увеличение интенсивности подачи дутья в агрегат позволяет повысить его
производительность, было очевидно: уголь горит быстрее и быстрее
заканчивается процесс производства кричного железа. В отношении же
экономии ресурсов выигрыш заключался в повышении температурного уровня
процесса, а затем, по мере увеличения размеров печей, в улучшении условий
теплообмена и, как следствие, более полном восстановлении железа из
оксидов Таким образом, «вынужденный» путь развития
западноевропейской металлургии железа привел к появлению в позднем
Средневековье крупного индустриального производства и заложил основы
гегемонии Европы в мире в последующие столетия. Термомеханическая
обработка железа и стали После предварительной обработки раскованное
кричное железо, или сырец, поступало в кузницу. Главным технологическим
приемом здесь служила горячая ковка. Кузнечную ковку можно производить
только с металлом, находящимся в пластичном состоянии, поэтому железо
подвергали нагреву в кузнечном горне. Важнейшим ключевым моментом
технологии был выбор температуры ковки: повышение или понижение
температуры механической обработки металла от оптимального уровня
отрицательно влияет на его строение и, следовательно, ухудшает качество.
Контролем температурного режима служили цвета каления железа и стали.
Поэтому в железных кузницах, в отличие от других металлургических цехов
специально создавали условия максимально возможного затемнения, чтобы
лучше определять все оттенки цветовой гаммы горячего металла. Следует
различать цвета каления металла и цвета побежалости (см. табл. 1 и 2 на с.
199). Последние появляются при образовании тонких пленок в результате
изменения поверхностного слоя металла. Например, при отпуске стали в
окислительной среде на поверхности образуются пленки оксидов, толщина
которых увеличивается с повышением температуры нагрева и продолжительности
выдержки. Появление цветов побежалости связано с интерференцией белого
цвета в этих пленках, вследствие чего погашаются лучи той или иной длины
волны. Кузнечная сварка применялась в случаях необходимости сочетания в
одном изделии металла с различными свойствами (чаще всего при изготовлении
режущих поверхностей). При этом, как правило, применяли технологию наварки
стального лезвия на железную основу. Между тем, сварить сталь с
содержанием углерода 0,8-1,0% с низкоуглеродистым железом (менее 0,1%
углерода) особенно трудно, потому что при нагреве металл окисляется,
покрываясь окалиной, препятствующей сварке. Окалину удаляли, применяя
специальные флюсы, которыми посыпали места сварки. При соединении флюса с
окалиной образуется слой жидкого шлака, который защищает свариваемую
поверхность от дальнейшего окисления. В момент сварки шлак удаляли с
поверхности изделия, встряхивая его или «выжимая» из шва ударами молота.
Цементация заключается в образовании на поверхности изделия слоя с
повышенным содержанием карбида железа - цементита, существенно повышающего
прочность сплава. Цементации подвергались режущие предметы. Ее непременным
условием являлся нагрев изделия до температуры около 1000 °С. Известны два
древних способа цементации: первый заключался в длительной выдержке
изделия в контакте с древесным углем. Второй способ основывался на
контакте обрабатываемого изделия с органическим веществом. Например, по
одному из древних рецептов, мечи, ножи, наконечники копий или другие
подобные им предметы смазывали свиным салом (иногда применяли смесь сала с
роговыми стружками), обматывали ремешками, нарезанными из козлиной кожи, и
обвязывали льняными нитками. Затем их покрывали слоем специальной глины,
оставляя открытым только черенок. После этого изделия помещались в
кузнечный горн, который раздувался до тех пор, пока кожа не сгорала.
Извлеченные из горна предметы освобождали от глины, охлаждали в воде и
высушивали над огнем. Закалка и отпуск применялись для формирования такой
структуры изделия, при которой лезвие его получалось твердым, основа -
мягкой, а между ними существовала плавная переходная зона. Изделие
нагревали до температуры 800-1000 °С. Для быстрой закалки применяли воду,
медленное охлаждение (мягкую закалку) проводили в растительном масле или
животном жире. Температура отпуска (повторного нагрева изделия после
закалки) могла составлять от 300 (низкий отпуск) до 600 °С (высокий
отпуск). Высокий отпуск применялся к изделиям, подвергающимся ударным
нагрузкам: топорам, наконечникам копий и стрел. Технологией со средним
отпуском обрабатывались серпы, косы, ножницы. Низкий отпуск применялся при
изготовлении ножей. Пайка была одной из наиболее сложных операций при
работе с железными изделиями. Для пайки использовались оловянные или
медные припои. Во втором случае температура пайки была более высокой, что
придавало соединению большую прочность и твердость. Предназначенные для
пайки детали очищались в месте будущего соединения от грязи, жира и
окалины. Между ними прокладывали медную проволоку или посыпали место пайки
медными стружками. Вместе с припоем помещался флюс, соединявшийся с
образовывавшейся в процессе нагрева окалиной в шлак. Детали скреплялись
проволокой или вставлялись в специальные глиняные формы, после чего
помещались в кузнечный горн для нагрева. При определенной температуре
припой плавился, олово или медь диффундировали в нагретое железо. Чем
меньше был зазор в собранных деталях, тем прочнее получался шов. Обточка
металла применялась для придания ему светлой и гладкой поверхности. Она
заключалась в снятии с поверхности изделия мелкой стружки и производилась
точильными брусками и кругами. Вначале материалом для них служил
естественный камень: песчаник, наждак или корунд. Однако по мере развития
точильного дела для тонкого и мягкого шлифования стали изготавливать
специальные точила из керамических материалов. Полирование применялось для
придания изделию блестящей поверхности. Чаще всего для этой операции
применялись деревянные лощила, которые смазывались особыми составами,
например, смесью сала с речным песком. При обработке дорогих изделий -
главным образом оружия - поверхность металла доводилась до зеркального
состояния.

 

назад в библиотеку