Технология получения сыродутного железа

В металлургии особую роль играло получение железа, широкое использование которого в раннефеодальный период имело решающее значение для совершенствования орудий труда. Основной способ изготовления железа был прежний — сыродутный процесс. Железо получали в сыродутных горнах, принцип действия которых, в основном, тождествен для большинства ремесленных районов Западной и Восточной Европы. В глиняный горн, иногда обложенный камнем, закладывали железную руду и древесный уголь и мехами нагнетали воздух. В результате восстановления руды получали железную крицу весом до 68 кг.

Археологические раскопки на территории России дали богатейший материал для воссоздания техники производства железа в V-IX вв. К числу находок относится, например, сыродутный горн VIII-IX вв., обнаруженный у деревни Лебедка Орловской области. Примером наиболее распространенных на территории нашей страны сыродутных горнов могут служить горны, найденные при раскопках Старой Рязани (XII в.) и в городе Болгары на Волге (X-XI вв.). Горны имели полусферическую форму, напоминавшую широкую чашу, опрокинутую основанием вверх. Общая высота горна 0,5м, высота рабочего пространства 0,35м, дно овальное или круглое диаметром 0,8м. Наверху сделано круглое отверстие (диаметр 0,5м) для загрузки угля и руды и выхода газов. Получаемую в горне пористую крицу железа затем проковывали. Она служила материалом для изготовления орудий труда и оружия. Со временем для повышения производительности сыродутных горнов увеличили их высоту. В результате он превратился в домницу с более сильным дутьем, которое достигалось с помощью механических устройств. Превращение сыродутного горна в домницу привело к изменению самого процесса получения железа. Наряду с железом в таких удлиненных горнах стал образовываться и жидкий металл, сильно науглероженный продукт — чугун.

Технология получения железа в Средней Азии. Дамасская сталь

Передовым регионом в освоении железа, где железный век начался уже в последней четверти II тыс. до н.э., была Малая Азия (район Хеттского царства), а также тесно связанное с ней Восточное Средиземноморье.

Не случайно именно от хеттов и их соседей до нас дошли первые неоспоримые письменные свидетельства о выработке и использовании кричного железа и стали. Из переведенных хеттами хаттских текстов следует, что уже хатты хорошо знали этот металл (для них железо имело скорее символическую, нежели бытовую ценность). В переписке хеттов, Митанни и египтян («Амарнский архив» в Египте — архив фараонов 18-й династии, относящийся к середине II тыс. до н.э.) встречается наиболее раннее из известных ныне письменных упоминаний о кричном железе, датируемое XV в. до н.э.; хеттские таблички к. XIV — н. XIII в. до н.э. содержат сообщение хеттского царя фараону Рамзесу II об отправке ему корабля, нагруженного «чистым железом».

В хеттско-ассирийской переписке XIII в. до н.э. фигурирует «хорошее железо», т.е. сталь; интересно, что именно ХIII в. датируется самое раннее из найденных хеттских стальных изделий — топор из Хаттусы.

Под влиянием Малой Азии и Восточного Средиземноморья в конце II — начале I тыс. до н.э. железный век наступает в Месопотамии и Иране.

Из Ирана черная металлургия распространяется в Индию, где эпоха железа отсчитывается с начала I тыс. до н.э. Имеется достаточное количество письменных свидетельств об освоении железа в Индии (как собственно индийских, начиная с Ригведы, так и более поздних неиндийских, в частности древнегреческих).

Под влиянием Ирана и Индии эпоха железа наступает в Средней Азии в VIII в. до н.э. Севернее, в степях Азии ЖВ начинается не ранее VI-V вв. до н.э.

Увидеть железо жидким металлурги смогли только в XIX веке, однако, еще на заре железной металлургии, — в начале I тысячелетия до новой эры, — индийские мастера сумели решить проблему получения упругой стали без расплавления железа. Такую сталь называли булатом, но из-за сложности изготовления и отсутствия необходимых материалов в большей части мира, эта сталь так и осталась индийским секретом на долгое время. В литературе часто не делают различия между индийским булатом (вутцом), дамасской сталью и японским булатом. Между тем каждый из трех методов изготовления придавал металлу особые свойства.

Поскольку в древности оружие из индийского и сиамского железа делалось и продавалось чаще всего на базаре в Дамаске, очень трудно выяснить, какой булат делали в Дамаске, а какой в Индии. П.П.Аносов и другие историки металлургии различают старую настоящую индийскую сталь, которую называют еще «Дамаск» или «чистый Дамаск», и новую - «наварной дамаск» или «дамасскую сталь». «Чистый дамаск», так же как индийский «вутц» и древнеперсидский "пулад", являйся литой сталью. Клинок изготовляли из цельного куска такой стали, полученного плавкой. Он имел естественные узоры. Сегодня булатом называют литую сталь, имеющую естественный узор. Только оружие, полученное путем ковки литой булатной стали (лепешки, или «вутца») и имеющее естественные узоры, обладало очень высокими механическими свойствами. Именно о нем складывались легенды.

В XII веке изготовление оружия в техническом и орнаментальном отношении достигло высшей степени совершенства. Широко известны в это время арабские мастера, которые кочевали со своими племенами и занимались изготовлением мечей и кольчатых панцирей, отличающихся прекрасными филигранными украшениями. Персидское, йеменское и грузинское оружие отличалось особыми рисунками, насечкой, эмалированием и резьбой.
Сохранились рассказы о том, что в конце XVI века падишахом Индии из династии Великих Моголов Акбаром был устроен арсенал, достаточный для вооружения целой армии. И в этом арсенале наряду с индийскими и дамасскими булатами очень дорого ценился японский булат, изготовленный не ранее чем в XI веке. Японский булат обладал каким-то необыкновенным качеством железа, которое после целого ряда проковок приобретало высокую твердость, прочность и вязкость. Мечи и сабли, приготовленные из этого железа, отличались также необыкновенной остротой.

Сварочный булат отличался высокой прочностью, значительно превышающей прочность стали такого же состава, потому что степень деформации при сварке стальных полос или проволоки с различным содержанием углерода была колоссальной. Самый простой способ упрочнения металла — это пластическая деформация. С увеличением степени деформации растет количество дислокации и уменьшается их подвижность. Это приводит к увеличению плотности дислокации. Итак, прочность металла повышается в двух случаях: когда в кристаллической решетке совершенно нет дефектов или когда плотность дислокации достаточно большая.

 Не так давно металловеды сделали рентгеноструктурный анализ сварочного булата. Рентгенограммы показали, что из кристаллов металла выпали чуть ли не целые группы атомов — так велика у него оказалась плотность дислокации. Таким образом, древние кузнецы эмпирически нашли способ приготовления очень прочного оружия. И не случайно сварочный булат (дамасская сталь) ценился не только за свои красивые цветные узоры.

Средневековая технология получения железа.

Труды Г.Агриколы

В раннем Средневековье был разработан еще один способ повышения производительности сыродутного горна, который заключался в разработке конструкции низкой, но интенсивно работающей печи, постоянно подгружаемой шихтой. По пути создания такого горна пошли металлурги Юго-Западной Европы в X—XI вв.: здесь была разработана технология плавки железа в горнах, получивших название «каталонских».

Каталонские горны появились сначала в испанских, а затем и во французских Пиренеях. Современники выделяли три модификации этих агрегатов: собственно каталонский горн — самый крупный по размерам и производительности (рис.1.1), а также наваррский и бискайский горны несколько меньших размеров. Длина горнов составляла от 0,6 до 1,2 м, ширина — от 0,6 до 1,0 м и глубина - 0,5-0,8 м.

1 - пробка, расположенная в верхнем водном резервуаре и предназначенная для регулирования потока воды в нижний резервуар; 2 - отверстия для всасывания воздуха, выполненные в трубе под углом 40-45" к горизонту; 3 - труба, служащая для создания потока воды между верхним и нижним резервуарами; 4 - слив воды из нижнего резервуара; 5 — патрубок для отвода воздушного дутья к фурменному устройству; 6 - коническая фурма, изготовлявшаяся, как правило, из красной меди; 7 — железная руда; 8 — формирующаяся железная крица; 9 — железистый шлак; 10- канал для выпуска шлака из горна

Еще одним направлением развития горнов стали осмундские печи и штюкофены. Отметим, что конструкция агрегатов была очень похожей, а основные различия заключались во внешнем «оформлении»: осмундские печи, как правило, заключались в деревянные срубы, а конструкция штюкофенов (рис.1.2)  усиливалась снаружи каменной кладкой. Печи строили многогранного сечения, чаще всего в виде двух четырехгранных призм с общим большим основанием. Использовалась одна фурма, которая устанавливалась горизонтально в нижней части печи таким образом, что ниже нее располагались лишь отверстия для выпуска из печи шлака.

Рис.1.2 Характерная конструкция штюкофена или «высокого» горна.

Перед началом плавки внутреннее пространство печи обмазывали огнеупорной глиной и набивали угольным порошком. Затем производили «обжигание горна», которое заключалось в прогреве кладки путем сжигания дров и некоторого количества древесного угля. После этого печь наполовину загружали порцией древесного угля, перемешанного с небольшим количеством легкоплавкой железной руды. В результате плавления этой первой, или «задувочной», шихты стенки нижней части печи покрывались своеобразным защитным слоем — «гарнисажем». Только после такой длительной подготовки агрегата переходили собственно к процессу плавки.

Шихту готовили тщательно: куски руды, представлявшей собой красный или бурый железняк с содержанием железа около 50%, дробили до крупности гороха или лесного ореха; древесный уголь, требования к качеству которого непрерывно возрастали, измельчали до размера грецкого ореха. Оба компонента шихты отделяли от мелких частиц и пыли вручную. Печь наполовину заполняли древесным углем, а затем загрузку руды и угля производили последовательно горизонтальными слоями толщииой не более 10—12 см.

После воспламенения древесного угля в нижней части печи, где проходила реакция неполного горения углерода угля до монооксида углерода (СО), достигалась температура 1400—1450°С. На верху печи, на колошнике (название его происходит от слова «колоша», т.е. мера твердого сыпучего материала) температура отходящих газов, состоящих, в основном, из СО и азота, составляла 700-900°С. Вот почему отходящий газ при взаимодействии с кислородом воздуха воспламенялся и непрерывно горел в течение всей плавки. Основным механизмом восстановления железа из оксидов была их реакция с твердым углеродом, поэтому содержание СО2, образующегося при восстановлении железа монооксидом углерода, в отходящих газах было ничтожным.

Главной составляющей шлака, как и в обычных сыродутных горнах, был фаялит. Шлак содержал 45—50% монооксида железа, 25—35% кремнезема, 4-6% глинозема, до 5% извести и магнезии и до 15% монооксида марганца. Кроме того, в шлаке в значительных количествах присутствовали щелочи, фосфор (иногда более 1%) и сера. Железистые шлаки отличаются высокой жидкоподвижностью, поэтому они легко вытекали из печи через отверстия в стенках, расположенных несколько ниже уровня фурмы. Присутствие в рудах монооксида марганца, взаимодействовавшего с кремнеземом, облегчало восстановление железа и уменьшало его потери в ходе плавки.

В результате плавки получался металл с низким содержанием кремния (менее 0,05%), марганца (менее 0,5%) и фосфора (менее 0,01%). Содержание углерода в различных участках крицы колебалось в широких пределах от 0,05 до 1,5%. Как известно, температура плавления низкоуглеродистого железа, составлявшего основную массу крицы, достигает 1480—1520°С, поэтому крица получалась твердой. Однако с повышением высоты печей и улучшением условий теплообмена содержание углерода в крице увеличивалось, и с начала 2-го тысячелетия ее часто извлекали из штюкофенов оплавленной.

Плавка продолжалась 4—6 часов, после чего раскаленную добела крицу клещами извлекали через пролом в передней стенке горна. Пролом делался в месте установки фурмы, что позволяло одновременно производить контроль состояния и при необходимости замену сопла дутьевого устройства. В крице оставались включения угля и шлака, составлявшие до 10% ее массы, поэтому ее уплотняли деревянными молотами, а затем тщательно проковывали кузнечным молотом для удаления шлака из мелких пор. Потери железа со шлаком и в результате отбраковки по-прежнему оставались высокими и могли достигать половины от количества железа, попавшего в печь с рудой. Всего за сутки с учетом постоянного ремонта печи успевали произвести 2—4 крицы.

Высоким был и расход древесного угля: непосредственно на процесс экстракции железа из руды он составлял 3-4кг на 1кг «сырого» железа, еще столько же топлива требовалось сжечь при переработке сырца в товарный продукт. С учетом того, что при производстве древесного угля масса продукта составляла не более 15% от массы дров, общий расход высококачественной древесины на производство 1кг железа достигал почти 50кг. Потребность в древесном угле была столь высока, что к концу тысячелетия пришлось существенно усовершенствовать технологию его производства: от архаичного способа выжига в ямах перешли к более производительной и экономичной технологии получения продукта в кучах диаметром свыше 3метров.

Штюкофены и осмундские печи обеспечивали самый высокий температурный уровень термических процессов раннего Средневековья. Температура продуктов плавки (крицы и шлака) в них гарантированно достигала 1400°С, но условия науглероживания металла в печах все же еще не позволяли получать в них чугун. Нужен был еще один шаг, еще некоторое увеличение высоты агрегата, чтобы получить новое качество и новый продукт процесса, а именно высокоуглеродистый сплав — чугун. Этот шаг был сделан после появления печей шахтного типа - «домниц» (русское название) или «блауофенов» (немецкий термин) в начале XIV в.

В горной промышленности в XV— XVI вв. широкое распространение получают гораздо более сложные, чем это было раньше, механические приспособления для устройства и эксплуатации шахт. Немецкий учёный и инженер Георг Бауэр, более известный под латинизированным именем Агрикола, подробно описывает уже сравнительно сложное шахтное оборудование своего времени (первая половина XVI в.). Он рассказывает о тележках для перевозки руды, двигавшихся с шумом по дороге с деревянной колеёй, о механизмах для откачки с больших глубин воды и поднятия наверх руды, приводимых в движение силой животных (лошадей) или силой падающей воды, о вентиляционных установках, о толчеях для дробления руды и т. д. Интересно отметить, что Агрикола описывает машину, в которой благодаря сложной системе передачи одно водяное колесо приводит в движение три различных исполнительных механизма — толчею для дробления руды, мельницу для размола и мешалки. Однако такая машина была, очевидно, редкостью, так как сам Агрикола называет её «единственной в своём роде». Создание этого более совершенного шахтного оборудования позволило устраивать глубокие шахты и разрабатывать недоступные ранее пласты. Это был настоящий переворот в горном деле.