Многие предметы быта и вооружения стало возможно производить только после освоения технологии производства и обработки оловянной бронзы. Это относится, например, к изготовлению длинных мечей, бритвенных ножей и особенно к полированным зеркалам. Можно сказать, что появление оловянной бронзы ознаменовало переворот в древней магии.

Особое отношение к зеркалу характерно для всей территории древней Евразии. С помощью зеркала древний человек мог вступать в магические отношения с потусторонним миром: у многих народов существовало представление об отражении лица в зеркале как о выражении духовной сущности человека.

Вообще-то зеркала были и из золота, и из мышьяковистой бронзы…

На зеркалах, как ни на одном другом виде бронзовых изделий, можно проследить этапы освоения древними мастерами технологии термической и механической обработки медно-оловянных сплавов. Например, древние греческие, египетские и скифские зеркала, содержащие до 12 % масс. олова, подвергались только холодной ковке. Это не давало возможности достигать высоких параметров твердости и полируемости.

Этруски делали зеркала из сплава с 14–15 % масс. олова. Перед холодной ковкой такой сплав необходимо было подвергнуть «гомогенизации». Этрусские металлурги проводили гомогенизацию сплава в течение 4–5 ч при температуре около 650 °С. Поэтому этрусские зеркала обладали прекрасной полируемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Еще больше олова (до 23 %) содержат золотисто-желтые зеркала сарматов, изготовленные в V–III вв. до н. э. Изделия из такого сплава можно было получить только путем горячей ковки бронзы при температуре «красного каления» (600–700 °С) и последующей закалки в воде. Подобную технологию использовали также в Индии, Китае и Таиланде.

На пороге новой эры практически повсеместное распространение получил тройной сплав меди, олова и свинца. Такие бронзы, содержащие до 30 % олова и до 7% свинца, являются самыми твердыми и сложными для обработки. Однако они позволяют производить металл с высокой отражательной способностью, а также с прекрасными литейными свойствами и полируемостью. Изделия из такого сплава получили распространение в Китае, Средней Азии и Римской империи, хотя Плиний отмечает, что они имели чрезмерно высокую стоимость и были доступны только очень состоятельным людям.

Уникальные технологии бронзового литья были созданы металлургами Древнего Китая. Известно, что уже во 2-м тысячелетии до н. э. в Китае существовала оригинальная технология литейного производства. В то время, когда металлурги Запада и Ближнего Востока получали сосуды ковкой, литьем в песчаные формы или по выплавляемым моделям, китайцы освоили гораздо более трудоемкий, но и существенно более прогрессивный метод «кусковой формовки».

Технология заключалась в следующем. Сначала из глины изготовляли модель, на которой вырезали требуемый рельеф. Затем получали обратное изображение, напрессовывая пластины глины, кусок за куском, на ранее изготовленную модель. На каждом куске формы выполняли тонкую доводку рельефа. После этого куски глины обжигали, что само по себе требовало виртуозного мастерства, так как не должен был нарушаться рисунок.

Первоначальную глиняную модель зачищали на толщину стенок будущей отливки, получая стержень для формирования ее внутренней полости. Куски формы собирали вокруг стержня, создавая таким образом цельную форму. При этом швы и стыки между кусками формы специально не заделывались наглухо, чтобы в них мог затекать металл. Это делалось для того, чтобы застывший в швах металл приобретал вид изящной кромки, придававшей изделию особый декоративный оттенок.

Традиция использования вертикальных литейных швов для украшения изделий стала отличительной чертой китайского металлургического искусства.

Еще одним примером оригинальных китайских литейных технологий является изготовление бронзовых тазиков с «кипящей» водой. На днище таких тазиков мастерами размещались литые рисунки определенного вида и направления. Они изменяли акустические свойства предмета, наполненного водой, таким образом, что стоило потереть его ручки, как с поверхности воды начинали подниматься фонтанчики, как будто вода, оставаясь холодной, действительно закипела.

Современные исследования позволили установить причину такого необыкновенного эффекта: от трения возникают звуковые волны, которые резонируют и вызывают быстрые колебания в литых выступах в днище тазика, в результате чего вверх выталкиваются струйки воды.

Возможно, ни одна культура бронзового века не соответствует своему названию лучше, чем культура Древнего Китая в период династии Шан Инь (конец 2-го тысячелетия до н. э.). В то время в городах были целые кварталы ремесленников, занятых обработкой металлов, изготовлением оружия и специальных ритуальных изделий из бронзы. Кроме нескольких мраморных скульптур этой эпохи, все сохранившиеся произведения искусства сделаны именно из бронзы.

Древняя технология выплавки железа принципиально отличалась от процессов получения других известных металлов. Все металлы выплавлялись из руды в виде расплава, а железо выделялось в виде крицы – твердого пористого конгломерата, сильно загрязненного включениями шлака и несгоревшего древесного угля. Проведение плавки железной руды требовало применения новых навыков и технологических приемов, а главное – надежного агрегата особой конструкции. Таким агрегатом стал сыродутный горн. Это название вошло в обиход в конце XIX в., когда основным способом переработки железных руд стала доменная плавка.

Успехи индустриализации позволяли снисходительно относиться к возможностям металлургического «старожила». Однако исследования последних лет указывают на огромные «профессиональные» возможности сыродутного горна. Спектр продуктов сыродутного процесса неожиданно оказался очень широким.

…в том же сыродутном горне наши пращуры с успехом производили не только железо, сталь и чугун; они умели получать агломерат, металлизованные продукты и даже плавить «окатыши». А ведь все упомянутые технологии были успешно «изобретены» вновь в XX в.

На территории Евразии и Северной Африки железо было известно на протяжении всего бронзового века и даже ранее, но применялось оно в то время ограниченно. Известно менее 500 железных предметов, относящихся к 3-му и 2-му тысячелетиям до н. э., в то время как бронзовые археологические находки насчитываются десятками тысяч. Чаще всего железо, метеоритное и металлургическое (в том числе полученное как побочный продукт производства меди и бронзы), использовалось в качестве украшений.

Так что не было вовсе «более позднего» освоения железа, а было лишь ограниченное его использование.

Чтобы определить границу между эпохой бронзы и железным веком английский археолог-металловед Энтони Снодграсс предложил понятие рабочего железа (working iron), выполняющего основные технологические (инструментальные) функции. Эпоху, когда железо становится наиболее распространенным режущим металлом цивилизации, принято считать железным веком.

РРР: Чисто искусственное разделение. Во-первых, все металлы начинались не с производственной необходимости (сам автор об этом пишет). А во-вторых, многие бронзы куда эффективней раннего железа.

Этот период оказался протяженным во времени практически для всех регионов мира, где металлургия железа получила первоначальное развитие. Переход от бронзовых к железным орудиям труда, инструментам и вооружению происходил постепенно, по мере освоения и распространения технологий производства и термомеханической обработки железной крицы. В связи с этим в хронологии цивилизации принято особо выделять ранний железный век, который представляет собой переходную эпоху от бронзы к новому основному металлу цивилизации и, как правило, датируется X–V вв. до н. э.

В Европе раннему железному веку соответствует Гальштатская археологическая культура, названная по могильнику вблизи города Гальштат (Hallstatt, Австрия). Он был обнаружен и подробно изучен в середине XIX в. Были исследованы соляные копи, рудники, кузницы. Характерными металлическими изделиями являются: бронзовые и железные мечи, кинжалы, топорики, ножи, железные и медные наконечники копий, бронзовые конические шлемы, панцири из отдельных бронзовых пластин, нашитых на кожу, бронзовые сосуды разнообразной формы, фибулы (заколки), бронзовые поясные бляхи.

Для раннего железного века характерно повсеместное распространение в Евразии и Северной Африке сыродутного процесса обработки железных руд и технологий цементации и закалки кричного железа. Первым сыродутным агрегатом для извлечения железа из руды стала «волчья яма», которую иногда применяли еще 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 устраивали в местах интенсивного естественного движения воздуха: на холмах, в предгорьях, лесных просеках, долинах рек. В таких печах можно было получать железо, используя и принудительное дутье (с помощью мехов).

Основным недостатком «волчьей ямы» являлось небольшое рабочее пространство, в котором создавались условия, необходимые для восстановления железа. Это, в свою очередь, ограничивало массу крицы, которую можно было получить за одну плавку. Кроме того, восстановленное железо распределялось по всему объему образующегося шлака, особенно в зонах, расположенных на противоположной стороне от фурмы. Отделение металла от шлака механическим путем неизбежно приводило к его значительным потерям.

Распознавание «волчьих ям» на месте проведения археологических раскопок связано с определенными трудностями и, в частности, с тем, что их часто путают с основаниями других печей, верхние конструкции которых были разрушены. Большая часть обнаруженных печей практически не различалась по конструкции. Они представляли собой яму глубиной примерно 1 м в виде перевернутого конуса, окруженную камнями. Рабочее пространство, выложенное глиной, располагалось в нижней части ямы и имело глубину и диаметр менее 0,5 м. Шлак скапливался в нижней части и удалялся после окончания выплавки.

Это указывает на то, что «более позднее» производство железа могло быть просто связано с ошибочной идентификацией печей археологами и подгонкой ими все под заранее заготовленную схему.

Археологи предполагают, что дутье осуществлялось через ряд сопел непосредственно в рабочее пространство. Круглая насыпь или стена, построенная на краю ямы, позволяла использовать большее количество руды и топлива. Впоследствии для усиления дутья стали использовать надстройку – своеобразную аэродинамическую трубу. Такая возводимая над ямой конструкция гипотетически могла стать родоначальницей агрегата, позднее известного как низкий сыродутный горн, не превышающего в высоту 1,5 м. Печи этого типа обнаруживаются повсеместно на территории Европы, Азии и Африки.

Помимо самого горна в технологическое оборудование для производства железа входили хранилища для сырья (железной руды, угля, глины для строительства и ремонта печей) и установки для подготовки материалов к плавке.

Остатки тысяч таких комплексов были обнаружены при археологических раскопках. Некоторые сохранились практически полностью, что позволяет достаточно точно восстановить это фундаментальное устройство, которое служило металлургам более 3 тыс. лет.

Сыродутные горны отличались большим разнообразием конструкций. Чаще всего они строились из высокоогнеупорной глины на каркасе из плетеных прутьев, а для укрепления стенок печи применялись деревянные обручи. Иногда горн полностью помещали в деревянный сруб или обкладывали камнями или кусками шлака.

Наиболее распространенные во времена Древнего мира сыродутные горны представляли собой цилиндрическую конструкцию высотой около 1 м и диаметром 35–40 см. Изнутри их обмазывали огнеупорной глиной, часто с добавлением песка и измельченного рога для улучшения качества огнеупора. Исследованные огнеупорные материалы, применявшиеся для футеровки сыродутных горнов, обладают термостойкостью в диапазоне от 1300 до 1700 °С. Перед плавкой их предварительно нагревали в течение нескольких часов в слабом пламени древесного угля при небольшом потоке воздуха.

Подача воздуха осуществлялась с помощью мехов или посредством создания естественной тяги через различное количество отверстий (сопел), расположенных в нижней части стенок горна. Наиболее часто подача воздуха осуществлялась за счет применения конструкции достаточно высокой и узкой по отношению к диаметру внутреннего пространства, что обеспечивало «эффект трубы». В некоторых случаях печи располагались у подножия холмов, где давление ветра могло быть использовано для увеличения естественной тяги.

В горнах с естественной подачей воздуха процесс плавки был достаточно медленным, плавка одной порции руды (до 100 кг) могла продолжаться до 2 суток и более. При принудительной подаче воздуха с применением мехов плавка проходила быстрее. Небольшое количество руды (20–30 кг) могло быть переработано в течение нескольких часов. Фурмы с внутренним диаметром 2–3 см свидетельствуют об использования принудительной подачи воздуха.

В эпоху Древнего мира добывали руды, представлявшие собой гидрооксиды (гетит), карбонаты (сидерит) и сульфиды (пирит) железа. При нагреве они выделяют большое количество газов, которые препятствуют нормальному ходу процесса, поэтому перед загрузкой в горн железную руду, как правило, укладывали в кучу с дровами, разводили костры и в течение нескольких суток прокаливали. К составлению шихты подходили с особой ответственностью: ее компоненты тщательно сортировали и измельчали до размера лесного ореха.

Перед плавкой предварительно просушенный и прогретый сыродутный горн примерно на две трети высоты наполняли древесным углем, после чего укладывали шихту. Чаще использовали послойную загрузку руды и древесного угля, но известны случаи составления смесей из кусковой руды, окомкованной рудной мелочи и древесного угля в различных пропорциях. Над верхней частью горна снова укладывали древесный уголь так, чтобы образовалось небольшое коническое возвышение. Воспламенение древесного угля осуществлялось через канал для выпуска шлака или фурменное отверстие. Его наполняли мелкими дровами, хворостом и раскаленными головнями древесного угля. Подача в горн дутья приводила к разжиганию угля, углерод которого в условиях недостатка кислорода горел до образования монооксида углерода. Таким образом в печи создавалась среда, обеспечивающая восстановление железа из оксидов.

Несмотря на многочисленные проведенные эксперименты и теоретические описания сыродутного процесса, в нем остается достаточно много неясного.

Сторонники традиционной точки зрения считают, что железная руда восстанавливалась до металла в твердом состоянии в виде пористой пастообразной низкоуглеродистой массы, сквозь которую проникал вязкий железистый шлак, хорошо плавящийся при температуре выше 1200 °С. В результате пористое железо образовывало достаточно плотную крицу и обычно не было насыщено углеродом. Лишь в отдельных местах формировались науглероженные зоны. Целью плавки было получение как можно более мягкого (низкоуглеродистого) ковкого металла.

Некоторые исследователи полагают, что в ходе сыродутной плавки в зонах печи, где температура составляла 800–1200 °С, частицы железа сначала науглероживались, а затем плавились в виде чугуна. Однако потом происходило повторное окисление углерода и металла в фурменной зоне печи, температура в которой превышала 1400 °С.

Ряд авторов полагает, что в обеих вышеупомянутых теориях есть доля истины, так как, несмотря на малые размеры первых сыродутных горнов или благодаря им, а возможно, в зависимости от способа подготовки и загрузки шихты в горн в различных его зонах могли проходить оба процесса. Поэтому продукты сыродутного производства могли содержать и высоконауглероженный металл, и даже частицы чугуна.

Существует также точка зрения, согласно которой процесс получения крицы мог быть двухстадийным. В этом случае в ходе первой стадии плавки руды получали частично восстановленный или металлизованный «агломерат». На второй стадии этот агломерат переплавляли с получением плотной железной крицы или чугуна.

Согласно описанию авторитетного исследователя сыродутного процесса Р. Плейнера изотермы во время плавки в печи напоминали пламя свечи, что являлось следствием формирования потоков газа и материалов. Температура в зоне горения превышала 1400 °С, однако всего в нескольких сантиметрах от нее она снижалась до 1200–1300 °С, а на колошнике составляла 500–700 °С, что соответствует примерно температуре горения в открытом костре при интенсивном притоке воздуха.

В верхней части печи с температурой 500–550 °С кусок гематитовой руды терял влагу и становился пористым. До зоны с температурной 700–750 °С большая часть гематита (Fe2O3) руды восстанавливалась до магнетита (Fe3O4) и монооксида железа (FeO), а на поверхности кусков руды постепенно образовывался тонкий слой металлического железа.

Под воздействием сильной восстановительной атмосферы начинался процесс науглероживания. Наиболее активно он проходил в области температур, превышающих 900 °С, когда γ-железо поглощало углерод из газа:

3Fe + 2CO = Fe3C + CO2 .

В кусках частично восстановленной руды содержались остаточные минералы, пустая порода, монооксид железа и металлическое железо. Углерод из СО (2СО → С + СО2) проникал в трещины и поверхностный слой металлического железа. При этом давление газа оказывалось достаточно высоким для проникновения (диффузии) углерода в железную оболочку.

«Конгломерат» из остаточных минералов, монооксида железа, вкраплений древесного угля, заключенных в пористую металлическую пленку, опускался на нижние уровни, где температура составляла около 1200 °С. В этой зоне печи частицы пустой породы активно взаимодействовали с монооксидом железа с образованием фаялита (Fe2SiO4), который представлял собой основную составляющую шлака сыродутной плавки.

Расплавленный шлак проникал через поры в «конгломерате» и опускался на подину печи. Поскольку главной составляющей шлака был фаялит, на начальном этапе освоения технологии потери железа со шлаком были чрезвычайно высоки – до 80 % количества железа, загруженного в агрегат.

Оболочки металлического железа с разным содержанием углерода, корольки (капли) сильно науглероженного железа, частички окалины опускались в низ горна и формировали крицу – ком губчатого железа, в который также попадали кусочки несгоревшего древесного угля и комки шлака. На первых порах освоения технологии масса крицы редко превышала 1–2 кг. Она содержала большое количество включений шлака и древесного угля, поэтому ее подвергали механической обработке для удаления примесей. Только после этого приступали к кузнечной термомеханической обработке металла.

По способу удаления образующегося шлака сыродутные горны принято подразделять на три типа. Первый тип включает печи, в которых не существовало системы шлакоудаления во время плавки. Шлак оставался внутри печи в течение всего процесса, он удалялся после окончания плавки и извлечения крицы. В горнах второго типа для шлака подготавливали специальную яму (в форме котла) в нижней части печи, где он постепенно скапливался и затвердевал. Характерные шлаковые блоки являются признаком так называемых печей со шлаковыми ямами. Формирование блока было возможно при условии, что шлакосборник оставался пустым до момента образования шлака. Поэтому перед началом плавки свободное пространство заполняли углем, хворостом и соломой, которые шлак выжигал по мере стекания.

Cыродутные горны, в которых шлак скапливался на чашеобразном поду печи, в современной исторической литературе получили название «печи со шлакосборниками». Такие печи имели большое количество вариантов конструкций. Они могли размещаться в строениях ниже уровня земли (шалашах, сараях) или представлять собой отдельно стоящую глиняную конструкцию. Печи могли быть маленькими (35–40 см в диаметре и 40 см глубиной), в них образовывалось 20–25 кг шлака, или большими, когда диаметр только шлакосборника достигал 80 см, а глубина 90 см с накоплением до 450 кг шлака.

Выдающимся изобретением 1-го тысячелетия стал горн с выпуском шлака (третий тип). Он имел большое количество различных форм и конструкционных особенностей. Такой горн мог быть встроен в укрытия, находящиеся ниже уровня земли, или мог стоять отдельно. Обнаружены доказательства, позволяющие считать, что эти горны иногда являлись переносными. Шлак в виде густой тестообразной массы выгребался через специальную арку в передней стенке печи или вытекал в виде расплава через выпускное отверстие – летку. Для выпуска расплавленного шлака необходимо было обладать высоким уровнем мастерства. Неправильный выпуск шлака мог сопровождаться большими тепловыми потерями, что в свою очередь могло привести к остановке процесса.

Русский термин «сыродутный горн» появился 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 знаменитом энциклопедическом словаре Брокгауза и Ефрона в статье «Горн металлургический» (автор – А.И. Скиндер) отмечается, что сыродувные (сыродутные) горны применялись для прямого получения железа из руд. Другое название сыродутного горна, используемое в специальной литературе, – «низкий горн» – указывает на то, что его высота, как правило, не превышала человеческий рост, т.е. составляла не более 1,5 м, и он легко обслуживался мастерами-металлургами вручную.

Для извлечения железной крицы использовались различные способы. В открытых печах (так называемых чашечных печах или «волчьих ямах») конгломерат железа и шлака поднимался через верх. В печах с выпуском шлака крица могла извлекаться или через отверстия в основании печи (через летку или отверстия для подачи воздуха), либо посредством разрушения части стенки горна.

Существует несколько предположений, в какой момент времени выплавки крицу извлекали из печи. Это могло происходить сразу после окончания выплавки, когда железо еще было горячим и легко определялось по цвету, или позже, после того как печь немного (полностью) остывала.

Первое предположение (извлечение горячего железа) кажется наиболее приемлемым с учетом того, что большая часть археологических находок шлаковых блоков не содержит металлического железа; в противном случае имелись бы значительные потери железа в результате окисления во время неконтролируемого процесса охлаждения и других операций, связанных с отделением металла от шлака. В любом случае конечный продукт требовал дополнительной обработки посредством повторного нагрева и проковки для удаления остаточного шлака.

Уникальным является опыт китайской сыродутной металлургии. В Китае и на близлежащих территориях Дальнего Востока уже в начале 1-го тысячелетия до н. э. была освоена выплавка чугуна в тиглях. Для получения чугуна в тигли помещали шихту, состоящую из кричного железа и древесного угля. Затем тигли в течение длительного времени выдерживали в горнах при температуре выше 1200 °С. Постепенное растворение углерода в железе позволяло получить из твердого кричного железа насыщенный углеродом жидкий чугун.

Несколько позднее была изобретена специальная печь для выплавки чугуна из железной руды или кричного железа – так называемая «китайская» вагранка. В отличие от современной ваграночной печи, представляющей собой агрегат шахтного типа, китайская вагранка являлась сыродутным горном высотой не более 1 м, переоборудованным для переплавки кричного железа в чугун. Вагранка снабжалась специальным дутьевым ящиком, работа которого обеспечивала интенсивный приток воздуха в агрегат.

В книге «Юйгун» древнекитайского сочинения «Шаншу» (VII–VI вв. до н. э.) описывается технология переработки железных руд с получением чугуна, применявшаяся в провинции Сычуань. Уже в эпоху Чжаньго (V–III вв. до н. э.) китайские металлурги научились получать сложные чугунные отливки и положили начало художественному чугунному литью.

Широкое применение чугун нашел в сельском хозяйстве. Остатки плавилен и многочисленных инструментов указывают на то, что в IV в. до н. э. его использовали для изготовления плужных лемехов, мотыг, кирок, лопат, граблей, серпов и топоров. В 1954 г. были исследованы остатки мастерской времен государства Янь у города Синлуна в провинции Хэбэй. Мастерская, построенная вблизи двух железорудных шахт, располагала 40 наборами литейных форм, которые использовались главным образом при производстве чугунных изделий для сельского хозяйства.

Хотя чугун представлял собой более хрупкий сплав, чем бронза, необходимости в улучшении его качеств не было. Он стоил относительно дешево, поэтому чугунные орудия были доступны крестьянам. Их применение существенно облегчило обработку земли, крестьяне могли возделывать большие площади и глубже вспахивать почву. В эпоху Хань (206 г. до н. э. – 221 г. н. э.) в крестьянский обиход повсеместно вошел высокопроизводительный чугунный плуг с двумя лемехами, который тянула пара волов.

Более высокие урожаи можно было получать благодаря другому изобретению – сеялке, снабженной несколькими тонкими железными трубками. Ее применение позволяло укладывать зерно в землю с одинаковыми интервалами и на глубину, благоприятную для развития растения. Для большинства крестьян эпохи Хань именно массовое производство орудий труда из чугуна являлось главным фактором успешного ведения хозяйства.

Выплавка чугуна в крупных литейных мастерских, контролируемых государством, уже ко II в. до н. э. привела китайцев к массовому производству этого сплава с максимальным использованием в шихте чугунного и железного лома. К 100 г. до н. э. правительство создало литейные мастерские во многих провинциях, монополизировав производство железа и чугуна. Государственные литейные мастерские начали изготовлять орудия труда для сельского хозяйства, бытовые предметы, оружие, детали для повозок и другие специализированные товары.

Одной из самых крупных мастерских была литейная Гун-сянь в провинции Хэнань, где археологами были раскопаны 18 печей для получения чугуна из руды, несколько печей для высокотемпературного литья и еще несколько – для выплавки стали. В некоторых печах эпохи Хань можно было получать в день тонну металла благодаря применению воздуходувных мехов с обратным клапаном, что обеспечивало непрерывную подачу дутья. Ручной труд, который первоначально применялся для приведения мехов в действие, был заменен использованием энергии воды с помощью горизонтально установленного водяного колеса, приводимого в действие речным потоком.

Высокие литейные свойства китайских чугунов… 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.

Долгое время считалось, что в Европе технология производства чугуна была освоена только в XI–XII вв., однако последние археологические находки опровергают это мнение. Недавние исследования римского железного блока, найденного в Контиомагусе (ныне Диллинген-Пахтен) и датируемого периодом между 75 и 150 гг. до н. э., показали, что он был получен в результате кристаллизации высокоуглеродистого (чугунного) расплава. Таким образом, в Контиомагусе было обнаружено и доказано самое раннее производство чугуна за пределами Китая. Упомянутая находка не доказывает, что в античном мире осуществлялась выплавка передельного чугуна в больших масштабах. Однако она подтверждает, что в античных сыродутных горнах также было возможно получение жидкого чугуна.

…получение металлургического топлива в настоящее время зачастую воспринимается как самостоятельное производство, слабо связанное собственно с металлургией. Подобному взгляду особенно способствовало развитие переработки побочных химических продуктов, выделяемых из каменного угля в процессе коксования, что привело к «перемещению» коксохимической подотрасли в область химических технологий. Между тем, без специального топлива, которое в металлургии по совместительству является и восстановителем, невозможен процесс производства из руд железа и большинства цветных металлов. На протяжении нескольких тысяч лет получение металлургического топлива воспринималось как неотъемлемая часть металлургического производства.

Вряд ли когда-нибудь будет достоверно установлено, когда и в какой части планеты человек впервые установил, что обугливание древесины без сгорания позволяет получить топливо, гораздо более удобное в использовании и функциональное – древесный уголь.

Разделение эндотермического процесса обугливания (удаления из древесины влаги, кислорода и водорода) и экзотермического процесса горения, которые «в условиях костра» происходят одновременно, позволило в случае

применения древесного угля снизить потери тепла и получить существенно более высокую температуру.

Использование древесного угля, особенно совместно с применением принудительного воздушного дутья, привело к увеличению «температурного потенциала» цивилизации, что способствовало развитию производства керамики и стекольного дела. Благодаря тому что, в отличие от дров, древесный уголь является практически бездымным топливом, он нашел широкое применение в быту при приготовлении пищи и обогреве помещений с использованием открытых жаровен. Наконец, именно благодаря древесному углю человечество получило возможность выплавлять из руд медь и железо.

Технологию производства древесного угля можно по праву считать самой консервативной в истории человечества – она просуществовала практически в неизменном виде несколько тысяч лет, со времени своего зарождения.

К сожалению, о технологии углежжения в период зарождения и становления металлургического производства известно только благодаря археологическим раскопкам в местах концентрации древних производств. При этом исследователи, как правило, основное внимание уделяют непосредственно производству керамики, стекла и металла, а вот вопросам производства металлургического топлива посвящено совсем немного специальных исследований.

Известно, что древесный уголь широко применялся при получении и обработке металлов в Древнем Египте. Образцы его найдены археологами в захоронениях, относящихся к раннединастическому (4000–2680 гг. до н. э.) периоду и периоду I династии (3050–2850 гг. до н. э.). Особенно масштабным производство древесного угля было

на территории Аравийской пустыни и на Синайском полуострове. Это привело к практически полному сведению лесов на этих территориях.

Существует версия, что именно истощение запасов топлива, а не руд, вынудило египтян перенести производство металлов на периферийные территории государства с последующей транспортировкой готовых слитков в метрополию (например, медь в основном выплавляли в Тимне, недалеко от современного города Эйлата в Израиле).

В Месопотамии древесный уголь был известен с незапамятных времен, в частности, он применялся в качестве пигмента при раскраске гончарных изделий. При этом он всегда представлял существенную ценность в этом бедном лесами регионе. Найдено письмо вавилонского царя Хаммурапи (1793–1750 гг. до н. э.) к его слуге Син-Идиннаму, в котором он дает распоряжение о скорейшей поставке дров для производства металла из поселения при рудниках Дур-Гургурри в Вавилон, чтобы тамошние металлурги «не сидели с пустыми руками». При этом царь обращал особое внимание на то, чтобы поставлялся только свежесрубленный лес, без сухих деревьев.

В местностях, бедных лесом, в качестве заменителя древесного угля использовались верблюжьи кизяки и кусты колючки. Греческий историк и географ Гней Помпей Страбон (ок. 64 г. до н. э. – ок. 23 г. н. э.) упоминает о том, что мастера по бронзе использовали финиковые косточки в качестве заменителя древесного угля. Гай Плиний Секунд (Плиний Старший, 23–79 гг. н. э.) в «Естественной истории» пишет об использовании в Египте корней папируса для замены угля при кузнечной обработке железа.

Первое описание свойств и способов использования древесного угля принадлежит перу (а точнее – стилосу) древнегреческого философа и естествоиспытателя Тиртама. Тиртам – ученик Платона, а позднее – любимый ученик, друг и преемник Аристотеля. Именно Аристотель наградил его прозвищем, под которым он и остался в памяти потомков – Теофраст, т.е. «божественный оратор». За свою долгую и плодотворную жизнь (372–287 гг. до н. э.) Теофраст написал свыше 200 трудов по естествознанию, среди которых две книги о растениях: «История растений» и «Причины растений». Помимо основ классификации и физиологии растений, эти труды содержат описание горючих свойств различных видов древесины и получаемого из них угля. Кроме того, в сочинении «Об огне» Теофраст поясняет, почему «приготовленный» (древесный) уголь более черный, чем ископаемый, и дает рекомендации по более эффективному его сжиганию, а в сочинении «О камнях» упоминает о том, что ископаемый уголь активно используется в кузнечном деле.

Теофраст отмечает, что самый лучший уголь получается из деревьев с плотной древесиной, в частности из дуба и земляничного дерева. Такие угли горят дольше и позволяют достичь более высоких температур, поэтому их охотно используют в процессе производства серебра «для первой переплавки руды» (имеется в виду первая стадия производства серебра – выплавка его из руды, а при дальнейших операциях по его очистке от примесей предъявлялись менее строгие требования к качеству топлива).

При этом из всех плотных углей дубовый содержит самое большое количество золы, что ограничивает его применение при производстве металлов. По словам Теофраста, в случае если требуется мягкий уголь, например при производстве железа, «когда оно уже расплавилось» (описывается стадия процесса плавки, когда уже произошло разделение на металл и шлак и требуется меньше тепла), используют уголь из эвбейского ореха, а при производстве серебра (речь идет о стадии очистки серебра от примесей) – уголь из алеппской сосны. Кузнецы предпочитают сосновый уголь дубовому, поскольку его легче разжечь, и, хотя он и дает меньше жара, но горит ярким пламенем, а не тлеет.

Дерево для производства угля должно быть свежим и не старым (о том же писал Хаммурапи). Лучший уголь получается из зрелых деревьев, у которых плотность, влажность и количество золы находятся в оптимальных пропорциях. Что касается собственно выжига угля, то Теофраст рекомендовал выбрать гладкие и прямые поленья, чтобы можно было сложить их как можно плотнее в кучу, укрыть ее дерном, поджечь и периодически «помешивать» шестами. Также он дает подробное описание процесса выделения газов при сжигании и обугливании различных пород дерева и рекомендации по использованию дров и изготовлению деревянного огнива.

Практически идентичные рекомендации по технологии производства древесного угля дает и Плиний Старший в «Естественной истории». Кроме того, он подробно описывает технологии производства различных металлов и, в том числе, особенности использования древесного угля. Также он описывает возможности использования смолы, выделяемой при производстве древесного угля, особенно из деревьев хвойных пород. Об использовании смолы пишет и Теофраст – по его словам, она использовалась в качестве связующего для брикетирования угольной мелочи.

Процесс производства древесного угля начинался с выбора древесины. Древесные породы подразделялись углежогами на так называемые твердые (темные, или тяжелые), мягкие (белые, или легкие) и смолистые. Твердые

породы давали самый прочный и плотный уголь, выделяющий при горении наибольшее количество тепла.

Значительное влияние на качество угля оказывало состояние дерева – оно не должно было быть слишком молодым или старым, червоточным или подгнившим. В этом случае уголь получался хрупким, и выход его был низким.

Распространено заблуждение, что подковы, стремена и металлические элементы конской упряжи появилась именно тогда, когда в жизнь человека прочно вошли лошади и металл, т.е. примерно в 4-м тысячелетии до н. э. Однако археологических подтверждений этому нет. Известная в то время бронза не годилась ни для подков, ни для стремян. Животные работали нековаными, хотя люди уже хорошо знали о необходимости сохранения рогового башмака от стирания. Защита копыт достигалась тем, что животных в течение длительного времени держали на сухом каменном полу, отчего копытный рог высыхал и становился крепким. Однако эта мера была недостаточна; известно, что в древнее время иногда даже прекращались военные походы, так как копыта лошадей были чрезмерно стерты и болели.

Наиболее древняя железная «обувь» для лошадей была обнаружена в Зальцбурге при археологических раскопках римской крепости I в. Это были еще не подковы, а специальные железные накладки или башмаки, называемые «солеа», которые прикреплялись к ногам лошадей ремнями. В них «обували» лошадей римской и греческой конницы. Хотя эта «обувь» и предохраняла копыта животных, но на практике была неудобной и широкого распространения не получила.

Изготовление первой настоящей подковы, крепившейся к копыту гвоздями, относится приблизительно к V в. Она не была случайным изобретением одного человека и даже одной страны. Имени кузнеца, впервые прикрепившего подкову гвоздями к копыту лошади, никто не знает, но ученые предполагают, что первыми ковку лошадей освоили кельты. В VI в. лошадей подковывали германцы, славяне, вандалы.

Во всех странах и регионах Древнего мира и средневековья выплавку и обработку оружейной стали окружала завеса таинственности и секретности. Как правило, общины оружейников жили, подчиняясь особым неписаным законам. Поскольку производство оружия всегда и везде считалось делом первостепенной важности, оно находилось под строгим надзором властей, осуществлявших постоянный контроль работы металлургов-оружейников и содействовавших постоянному росту их квалификации.

Древние мастера тщательно скрывали секреты изготовления необыкновенного металла, часто передавая их своим преемникам лишь на смертном одре. Поэтому вместо способов производства лучших клинков древние манускрипты содержат лишь рассказы об обрядах, которые сопровождали работу мастеров. Производить высококачественную оружейную сталь с уникальными свойствами умели многие народы Древнего мира и средневековья.

По наиболее распространенной версии с легендарной высококачественной оружейной сталью (называемой впоследствии «булат», «дамаск», «вутц» или «вуц») представители античной культуры впервые познакомились во время похода Александра Македонского в Индию (329 г. до н. э.). Согласно описанию Аристотеля – воспитателя и биографа Александра – в битве на реке Гидасп индийские воины сражались с греками длинными мечами, которые легко рассекали доспехи. Другим эффектным оружием индийцев была «чакра» – плоское стальное кольцо с острой внешней кромкой. Чакра раскручивалась на пальцах и выбрасывалась в сторону противника: если она попадала в шею, воин прощался с головой. Несмотря на такое удивительное вооружение, индийцы не смогли победить македонскую армию, но слава об их железных изделиях разнеслась по всему античному миру.

Благодаря Аристотелю утвердился специальный термин для обозначения индийской стали – «феррум кандидум» (белое железо). Также стало известно, что «белое железо» восточные купцы продают в виде круглых лепешек, разрезанных пополам. Обнаружены письменные свидетельства того, что властитель индийского княжества Пенджаб подарил Александру Македонскому 2,5 т стали в слитках – по тем временам подарок, достойный царя.

Оружие, обладавшее высокими боевыми свойствами, в IV в. до н. э. умели изготовлять и народы Европы. В настоящее время считается доказанным, что прекрасных результатов в получении оружейной стали достигли кельты, они же довели до совершенства технику кузнечной сварки. Легендарный кельтский кузнец Виланд (Воланд, Велундр) умел сваривать в монолит пропущенные через кишечник гусей стальные опилки. Изготовленный таким образом меч разрубал камни и рассекал мешок, набитый шерстью.

Изучение любой науки начинается с освоения ее терминологического аппарата и методологии. Иногда эти термины хорошо известны нам со школьной скамьи и поэтому привычны в употреблении. А какова морфология (происхождение) металлургических понятий? Является ли профессиональный язык металлургов обособленным от повседневной жизни или, наоборот, представляет собой порождение бытового «просторечного» языка? В университетских учебниках вы об этом не прочитаете, а мы попробуем разобраться.

Согласно последним исследованиям древнейшие названия большинства металлов восходят к их характерному цвету или блеску. Ярким примером являются названия драгоценных металлов – золота и серебра. Славянское «золото», английское и немецкое «gold» происходят от санскритского корня «гол» («зол» или «жал»). Этот корень составляет основу слов «яркий, блестящий, пылающий». К этому же корню восходят корни «жел» и «зел» в словах «желтый» и «зеленый», а также древнегерманское «геолу» и современное английское «yellow» (желтый).

Блестящий цвет серебра издавна связывали с Луной, что отразилось в названии металла. В Древнем Египте серебро обозначалось словом «хат» – белый. Современное латинское название «argentum» происходит от греческого слова «аргос» – белый, блестящий. В странах Древнего мира широко применялись изделия из природного сплава золота с серебром, который греки называли «электрон», а римляне – «электрум». Полагают, что греческое название происходит от янтарного цвета металла. Сам камень – янтарь, очень высоко ценившийся в Древней Греции, Гомер и Гесиод также называли электроном.

«Цветовая идентификация» древних металлов приводила к интересным родственным связям их названий, недоразумениям и «наследственным» взаимоотношениям. Например, распространена точка зрения, согласно которой русское слово «железо» происходит от упоминавшегося выше санскритского корня «жел» («жал»). Оно могло характеризовать поверхность отполированного блестящего на солнце стального изделия или происходить от желтого цвета болотной руды, наиболее часто применявшейся для производства металла. Если согласиться с этой версией, следует признать древнее «коренное» родство золота и железа, сохранившееся в современном русском языке.

Другим примером могут служить свинец и олово. Большинство древних народов считало свинец, олово и сурьму одним и тем же металлом разной степени чистоты. Римляне называли свинец «плюмбум нигрум», а олово – «плюмбум альбум», т.е. это один и тот же металл, только черного или белого цвета. На Руси свинец долгое время называли оловом. Это нашло отражение в поговорке «Слово – олово, молчание – золото», впоследствии видоизмененной. Позднее за свинцом закрепилось название, произошедшее от технологии его разливки: «свинкой» называли товарные слитки металла.

В украинском языке до сих пор существует слово «оливец» – карандаш, но раньше писали не оловянными, а свинцовыми стержнями. Свинцовые штифты широко использовались для письма еще в античности, поэтому древние греки дали свинцу название «молюбдос», что означает «пригодный для письма». Свинцовую руду греки называли молибденой, но часто путали сульфиды свинца (галенит) и молибдена. В 1778 г. выдающийся шведский химик Карл Вильгельм Шееле выделил из минерала молибденита новый химический элемент. Впоследствии он получил древнегреческое название свинца – молибден.

Сложности, связанные с толкованием древних металлургических терминов, часто возникают по «философским» и «мировоззренческим» причинам. В древних языках длительное время не было термина «металл» в его современном понимании. Слова, которые теперь переводятся из древних текстов как «железо» или «медь», в те времена означали «камень» («руда») или «продукт плавки». Осознание металла как вещественной формы, которой присущи определенные металлические свойства, произошло лишь в середине 1-го тысячелетия до н. э. Этому достижению научной мысли человечество обязано греческой философии, благодаря которой в современные языки вошли термины «металл», «металлургия» и их производные. В предшествующие же эпохи не было ничего удивительного в том, что слово, использовавшееся для обозначения железа, перейдя в другой язык, начинало обозначать медь или наоборот.