Кузнечное и волочильное дело в Средневековье

Самой первой формой организации производства железных изделий были кузнецы-любители. Обычные крестьяне, которые в свободное от обработки земли время промышляли таким ремеслом. Кузнец этого сорта сам находил «руду» (ржавое болото или красный песок), сам выжигал уголь, сам выплавлял железо, сам ковал, сам обрабатывал.

Умение мастера на данном этапе закономерно было ограничено выковыванием изделий самой простой формы. Инструментарий же его состоял из мехов, каменных молота и наковальни и точильного камня. Железные орудия производились с помощью каменных.

Если удобные для разработки залежи руды имелись поблизости, то и целая деревня могла заниматься производством железа, но такое было возможным только при наличии устойчивой возможности выгодного сбыта продукции, чего практически не могло быть в условиях варварства.

Если же, допустим, на племя из 1000 человек имелся десяток производителей железа, каждый из которых за год соорудил бы пару-тройку сыродутных печей, то их трудами обеспечивалась концентрация железных изделий всего порядка 200 граммов на душу населения. И не в год, — а вообще.

Цифра эта, конечно, очень приблизительная, но факт тот, что, производя железо таким способом, никогда не удавалось за его счет полностью покрыть все потребности в самом простом вооружении и самых необходимых орудиях труда. Из камня продолжали изготавливаться топоры, из дерева — гвозди и плуги. Металлические доспехи оставались недоступными даже для вождей.

Такого уровня возможностями обладали наиболее примитивные племена бриттов, германцев и славян в начале нашей эры. Каменным и костяным оружием отбивались прибалты и финны от крестоносцев, — а это уже оказывались XII-XIII века. Все эти народы, конечно, умели уже делать и железо, но еще не могли получить его в необходимом количестве.

Следующим этапом развития черной металлургии были профессиональные кузнецы, которые все еще сами выплавляли металл, но на добычу железоносного песка и выжигания угля чаще уже отправляли других мужиков, — в порядке натурального обмена. На этом этапе кузнец, обычно, уже имел помощника-молотобойца и как-то оборудованную кузницу.

С появлением кузнецов концентрация железных изделий возрастала в четыре-пять раз. Теперь уже каждый крестьянский двор мог быть обеспечен персональным ножом и топором. Возрастало и качество изделий. Кузнецы профессионалы, как правило, владели техникой сварки и могли вытягивать проволоку. В принципе, такой умелец мог получить и дамаск, если знал как, но производство дамаскового оружия требовало такого количества железа, что не могло еще быть сколько-то массовым.

В XVIII-XIX веках деревенские кузнецы умудрялись даже изготовлять стволы к нарезному оружию, но в этот период они уже пользовались оборудованием, которое сделали не сами. Некоторого масштаба перенос ремесленного производства из города в деревню становился возможным на таком этапе развития города, когда стоимость даже довольно сложного оборудования оказывается незначительной.

Средневековые же деревенские кузнецы сами делали свои орудия труда. Как умели. По этому рядовой мастер обычно преуспевал в изготовлении предметов простой плоской формы, но положительно затруднялся, когда требовалось изготовить трехмерное изделие, или состыковать несколько изделий между собой, — что, например, требовалось для создания надежного шлема. Изготовить же такое сложное изделие, как спусковой механизм для арбалета, деревенскому кузнецу не грозило, — для этого, ведь, потребовались бы даже измерительные устройства.

Не было у кустарных кузнецов и специализации, — и мечи, и иголки, и подковы делал один и тот же мастер. Более того, во все времена сельские кузнецы были заняты в первую очередь именно изготовлением наиболее необходимых односельчанам простейших производственных и бытовых орудий, но не оружия.

Впрочем, последнее отнюдь не отменяет того обстоятельства, что в примитивных культурах даже самый заурядный кузнец считался несколько с родни колдуну, хотя, более адекватно его можно уподобить художнику. Выковывание даже обычного меча было настоящим искусством.

Теоретически все выглядело просто: надо только наложить одна на другую три полоски металла, проковать их, и клинок готов. На практике, однако, возникали проблемы, — с одной стороны надо было добиться прочной сварки и даже взаимопроникновения слоев, а с другой, нельзя было нарушать равномерность толщины слоя (а она-то и была — с лист бумаги) и, тем более, допустить, чтобы слой разорвался. А, ведь, обработка производилась тяжелым молотом.

До разделения труда между городом и деревней годовое производство железа не превышало 100 граммов в год на человека, форма изделий была очень простой, а качество низким, и, когда описывается вооружение какого-нибудь варяга, систематически упускается из вида, что речь идет об оружии вождя, откопанном в его кургане. Варвары, которым курганы не полагались, вооружались существенно проще. На данном уровне развития производительных сил (характерном, например, для галлов, франков, норманнов, Руси X века) тяжелое вооружение могло иметься еще только у аристократии, — не более одного воина в броне на 1000 человек населения.

На новый уровень металлообрабатывающая промышленность вступала только, когда становилось возможным разделение труда и возникновение специальностей. Мастер железо покупал, причем покупал уже нужного качества, мастер покупал себе инструменты — необходимые по его профилю, и нанимал подмастерий. Если уж он делал ножи, то уж сдавал их на реализацию ящиками. Если делал мечи, — то не по два в год, а по четыре в неделю. И, естественно, обладал в соответствующее количество раз большим опытом в их изготовлении.

Кустарное производство железа, однако, перестало практиковаться сразу после распространения штукофенов. Кузнецы начали покупать железо в слитках, а еще чаще — железный лом, — на предмет перековки мечей на орала.

Когда же развитие товарности хозяйства сделало ремесленные изделия доступными широким массам, кузнецы еще долго занимались починкой сделанных в городах орудий.

Параллельно с решением организационных моментов улучшение методов обработки металлов требовало и совершенствования техники. Поскольку же основным методом была ковка, то усовершенствованию подлежали в первую очередь молоты.

Дело было в том, что, если ковка осуществлялась ручным молотом, то и размер изделия оказывался ограничен физическими возможностями кузнеца. Человек был способен отковать деталь весом не более нескольких килограммов. В большинстве случаев этого оказывалось достаточно, но при изготовлении, скажем, деталей осадных машин без механического молота, приводимого в движение водяным колесом, мулами или рабочими, было уже не обойтись.

Проблема выковывания массивных (до нескольких центнеров) деталей была решена еще в античности, но в период средних веков она обрела новую остроту, так как крицы, получаемые из штукофенов, тоже нельзя было отковать кувалдой.

Пудлингование

Процесс получения железа из чугуна в отражательных печах, а не в кричных горнах, где металл соприкасается непосредственно с топливом, был назван пудлингованием.

История металлургии знает нескольких изобретателей, пытавшихся найти новые методы переделки чугуна в сварочное железо – Дж.Кокшет в Америке, П.Оньонс в Англии, способ пудлингования, предложенный братьями Кранедж, но их попытки по разным причинам не увенчались успехом.

И только лишь английскому заводчику и предпринимателю Генри Корту (1740-1800) удалось, наконец, обеспечить пудлингованию "право на существование". Находясь на службе в королевском флоте Корт обратил внимание на то, что английское железо в сравнении с иностранным было много хуже. Правительство даже не допускало его для выполнения казенных заказов. Корт начал опыты с целью улучшения качества металла. В чем они заключались и каких он достиг результатов - осталось неизвестным.

Оставив службу, в 1775 году Корт купил поместье в Фентлее, устроил в нем кузницу, а затем железноделательный завод. В 1783 году Корт взял патент на вальцы для пропускания криц с целью отжатия шлака. Вальцы позволяли значительно повысить производительность труда: они пропускали за 12 часов 15 тонн железа, а молотом можно было обработать вручную за это же время только одну тонну.

13 февраля 1784 года Корт получил новый патент, где говорилось об использовании чугуна для плавки при пудлинговании и о нагреве крицы в обыкновенной отражательной печи. По его патенту, при пудлинговании чугун в чушках загружали в раскаленную отражательную печь и нагревали до расплавления, затем перемешивали до тестообразного состояния, пока металл не начинал свариваться. Полученную массу ломами и лопатами собирали в крицы. Далее крицу нагревали "до бела и до вара" в отражательной печи, а затем разрубали и проковывали. Полученные куски железа складывали в пакеты, нагревали до сварочного жара и прокатывали в полосы в вальцах с несколькими ручьями (фигурными вырезами).

С середины прошлого века и по сегодня ведутся споры о том, кому принадлежит приоритет открытия пудлингового процесса.

Рассматривая работы Корта, мы должны помнить, что он безусловно не является первооткрывателем.

Не присваивая Корту чести первооткрывателя, необходимо отметить его заслуги в области практического распространения пудлингового процесса. Правда, плохое знание технологии не дало Корту возможности довести дело до конца. Он употреблял кислые огнеупоры. Железистые шлаки быстро разъедали под печи, сделанный из песка. Кремнезем пода связывал закись железа в шлаке, и процесс обезуглероживания шел только за счет кислорода атмосферы печи. Это замедляло процесс и вело к большим потерям железа - выход годного составлял менее 70% от веса металлической шихты.

Однако первые же образцы пудлингового железа, представленные Кортом на испытание экспертам флота, были признаны более качественными, чем прославленное железо Орегрунда (Швеция). За последнее десятилетие XVIII века в Англии произвели около 50 000 тонн пудлингового железа. Применение каменного угля на металлургических заводах Англии уже в 1804 году значительно повысило их производительность и почти в 10 раз сократило экспорт железа из России в Англию (составлявший в конце XVIII века более трех миллионов пудов).

Усовершенствование пудлингового процесса продолжалось. Вальдвин Роджерс предложил в 1816 году вместо кирпичного пода, который выдерживал около недели, делать металлический, из чугунных плит. Иосиф Галль в 1818 году ввел наварку пода печи смесью пудлингового шлака с железной рудой или окалиной. Благодаря основному, богатому окислами железа поду печи появилась возможность использовать любые сорта чугуна, сократить продолжительность плавки и повысить выход железа почти до 90 процентов. После этих усовершенствований пудлинговый процесс начал набирать силу. Производительность пудлинговой печи была выше, чем кричного горна. Если при кричном способе для переработки пяти тонн чугуна в ковкое железо требовалось три недели, то при пудлинговании на это уходило полтора дня, расход топлива составлял 800 – 1800 килограммов на одну тонну пудлинговой болванки.

Пудлинговый процесс начинает распространяться в другие страны Европы. Во Франции опыты по пудлингованию начались в 1819 году. К 1836 году была сделана попытка пудлингования в Швеции. Все эти опыты проводились не на каменном угле, а на дровах. Австрийский металлург Туннер в 1835 году использовал пудлинговый процесс для получения стали.

Одной из первых стран, применивших, вслед за Англией, пудлингование, была Россия. В 1817 году на Пожевском заводе пробовали осуществить пудлингование на песчаном поду. Подобные опыты проводили в 1826 году на Нижнетагильском, в 1827 году на Александровском заводах. После 307 опытов по пудлингованию и 298 - по сварочным работам Камско-Воткинский завод 10 сентября 1837 года полностью перешел на новый способ производства железа. Правда, топливом служили дрова: в условиях страны, богатой лесами, это было дешевле. Теперь в России на нескольких заводах началась перестройка кричных фабрик на пудлинговые мастерские.

Пудлингование было очень тяжелым и трудоемким процессом. Работа шла при нем таким образом. На подину пламенной печи загружались чушки чугуна, их расплавляли. По мере выгорания углерода и других примесей температура плавления металла повышалась, из-за жидкого расплава начинали "вымораживаться" кристаллы довольно чистого железа. На подине" собирался комок слипшейся тестообразной массы. Рабочие-пудлинговщики приступали в операции накатывания крицы. Перемешивая металл ломом, они старались собрать вокруг него комок (крицу) железа. Такой комок весил до 50-80 килограммов и более. Крицу вытаскивали из печи и подавали сразу под молот для проковки, чтобы удалить частицы шлака и уплотнить металл.

Пудлинговый металл широко открыл двери в железный XIX век. Он был основным материалом, из которого строились машины в течение почти всего XIX столетия, а также возводилась железнодорожная сеть.

Изобретение пудлингового процесса имело громадное значение для развития машиностроения. При наличии соответствующей топливной и сырьевой базы появилась возможность расширить производство металла до больших размеров. Машинная индустрия развивающегося капитализма создавалась с помощью сварочного железа, производимого пудлинговым процессом.

Общее устройство пудлинговой печи конца XVIII в. (рис.1.5) для пудлингования каменном угле состояло в следующем. В топке сжигается топливо. Продукты горения через пламенный порог попадают в рабочее пространство печи, где на поду находится загруженный чугун с железистыми шлаками. Шлаки под действием пламени переходят в тестообразное состояние и частично расплавляются. С повышением температуры чугун начинает плавиться, и примеси его выгорают за счет кислорода, заключенного в шлаках. Таким образом, чугун обезуглероживается, т.е. превращается в крицу губчатого железа. В рассматриваемой печи предусмотрены две трубы, из которых одна находится над топкой, а вторая расположена в конце печи. Дополнительный дымоход над топкой открывается в тот момент, когда требуется снизить температуру ванны, после чего происходит тщательное перемешивание металла и шлаков.

1 — топка; 2 — пламенный порог; 3 — под печи; 4 — рабочее пространство печи; 5 и 6 — трубы

Наряду с производством сварочного железа (кричного и пудлингового) в рассматриваемый период развивался тигельный способ получения литой стали. Идея и первые опыты получения однородной литой стали путем растворения железа в расплавленном чугуне принадлежат известному французскому ученому Р.А.Реомюру.

Фришевание

Кричным переделом называется способ получения ковкого железа посредством фришевания (свежевания) или очищения чугуна в кричных горнах. Кричный процесс состоит в окислении составных частей чугуна кислородом вдуваемого воздуха и действием находящихся в горну шлаков.

Чем медленнее чугун расплавляется, т.е. чем дольше он может находиться в переходном, так сказать, в кашицеобразном состоянии, тем резче сказывается окислительное действие воздуха. Поэтому белый чугун считается более пригодным для кричного процесса, чем серый и зеркальный, потому что последние при расплавлении, переходя сразу из твердого в жидкое состояние, быстро стекают вниз горна, где уже вгоняемый через фурму воздух не оказывает на них влияния.

При этом железо и шлаки менее перемешиваются между собой и не могут вполне подействовать друг на друга. Содержание в чугуне графита и кремния сильно задерживает ход процесса и удаление последнего всегда сопряжено с большим угаром железа. Марганец тоже замедляет операцию, но зато влияет на очищение чугуна от вредных примесей. Сера, обусловливающая красноломкость железа, выделяется очень трудно, в особенности при легко обрабатывающихся чугунах. Фосфор считается самой опасной примесью в чугуне, так как при кричном способе почти не устраняется, а своим присутствием делает железо хладноломким. Горючим материалом при кричном способе служит исключительно древесный уголь, потому что он не содержит в себе вредных примесей, дает мало золы и развивает требуемую температуру в горну. Лучшим считается хорошо выжженный сосновый уголь, причем обожженный в кучах (кучный) лучше печного. Свежевыгребенный после обжига уголь растрескивается в огне, скоро сгорает и, давая очень сильный жар, сильно замедляет получение ковкого железа. Он не должен заключать много мусора, который можно удалить просеиваньем или промыванием. За ним по качеству следует еловый и пихтовый уголь, которые дают сравнительно больше золы и меньше жара. Березовый уголь, вследствие своей плотности, развивает чересчур высокую температуру. Были попытки применять торф, каменный уголь и кокс для кричного производства, но, вследствие заключающихся в них примесей, эти материалы оставлены. Кокс, кроме того, развивает чересчур высокую температуру в горне. Из примесей, применяемых в кричном производстве, наибольшее значение имеют богатые железом шлаки, которые получаются попутно при кричном процессе и при дальнейшей обработке крицы. Они заключают в себе 5-18% кремния и около 80% закиси-окиси железа. Шлаки действуют сильно окисляющим образом на чугун, вследствие чего происходит обезуглероживание и очищение чугуна от кремния, серы и частью от фосфора. Кроме шлаков употребляется иногда железная окалина из-под молота и вальцов. Песок и глина способствуют образованию жидких шлаков и употребляются часто при выделке кричной стали, чтобы замедлять быстрое выгорание углерода. С целью удаления серы и фосфора прибавляется извести в количестве от 2 до 5%. Кроме этих очистителей надо еще упомянуть о порошке Шавгаутля, состоящем из 6 частей поваренной соли и 3 частей перекиси марганца. Смесь эта образует легкоплавкий шлак, содержащий закись марганца и способствующий выделению кремния, серы и фосфора. Приборы, употребляемые при кричном переделе: кричный горн, воздуходувки и молота. В зависимости от местных условий, а главным образом от качества чугуна и угля, а также от усовершенствований приемов, изменялась и форма кричного горна.