Канал “Книжные раскопки” продолжает публикацию обзорных статей по истории металлургии железа, основанную на публикациях и находках последних сорока лет.
Для начала – немного про терминологию, русскую, английскую и немножко немецкую.
Прямой, или сыродутный, процесс – получение железа и стали из руды непосредственно в металлургической печи (сыродутной печи, сыродутном горне), без промежуточной стадии в виде чугуна. На английском, соответственно, direct process и bloomery furnace. Вот такое, несколько неуклюжее и неточное определение. Почему определение неуклюжее? Потому, что до середины 19 века, до введение предварительного подогрева воздуха, идущего в печи, все металлургические печи были сыродутными, и неважно, получалось в них железо или – в домнах – чугун. А неточное потому, что в этих самых печах зачастую получалась смесь железа, стали и чугуна, и некоторые печи были специально на это рассчитаны. А третья причина неуклюжести связана с тем, что буквальный перевод “bloomery furnace” на русский будет “кричная печь (горн)”, что в русском языке означает печь для выплавки железа из чугуна при так называемом кричном переделе. А такая печь, при переводе на английский, будет уже “finery”. Уф! Впрочем, чисто в английской терминологии неразберихи и неточностей не меньше. Домна, “blast furnace”, в буквальном переводе означает печь с непрерывной искусственной подачей воздуха. Все бы ничего, но точно так же, сначала ручными или ножными, а потом и механическими мехами с водяным приводом подавался воздух и в большинство bloomery furnace. Как всегда, исторически сложившаяся терминология… Главным же отличием, лучше отраженным именно в английском, является конечный продукт печи: крица (bloom) для сыродутной печи (bloomery furnace), литой чугун (pig iron, cast iron) – для домны (blast furnace).
Замечание: Автор, историки вообще (историки металлургии в частности) и археологи в курсе о современной технологической классификации сплавов железа. Однако, в археометрии и археологии используются следующие названия: менее 0.2% углерода - железо, далее сталь (сырцовая, рафинированная, тигельная и т.п.) до 1.9% или 2.1% углерода, в зависимости от автора, далее чугуны. Отдельно - фосфористое железо с содержанием фосфора от 0.4 до 1.4%. Также термины железо, железный применяются для любого (в разумных пределах) сплава железа, состав которого не определен. Поскольку вопрос возникает регулярно при обсуждении истории металлургии - приходится помещать комментарий почти в каждую статью.
И, кстати, в мире существует множество журналов, научных учреждений и научных работ, в названиях которых фигурирует именно "железо и сталь", "iron and steel", "Stahl und Eisen".
Здесь зачастую (по наследию с 19 века) используемая немецкая терминология может изрядно запутать вопрос. В ней обычно выделяются реннофен – сыродутная печь с отводом шлака, tap-slug furnace, как печь для получения исключительно железа, и домницы – штукофен – высокие печи для получения железа и чугуна. В чем тут проблема? Во-первых, как продемонстрировали опыты и раскопки, для получения смеси чугуна и стали, а то и только чугуна, вполне достаточно низких горнов, 60-80см высотой. Так что потенциально любая печь с отводом шлаков может быть зачислена в домницы, и лучше это название, как и штукофен, оставить за печами соответствующего региона и времени, а не выделять в отдельный системообразующий класс. Во-вторых, из этой классификации вообще выпадают печи без отвода шлаков. С ними связан многолетний спор, разрешившийся сравнительно недавно. Такая печь – это, грубо говоря, обложенная камнем и глиной яма. В простейшем варианте, без искусственного наддува, их принято называть “волчьими ямами” и считать самой примитивной формой металлургической печи. Ряд археологов считал находки таких ям, датированных Средними веками, не печами целиком, а основанием от несохранившихся высоких печей с отводом шлаков. Однако, как было доказано, бесшахтные печи использовались и с наддувом мехами – как ручным, так и с водяным приводом в Скандинавии вплоть до 18 века. Производили в них крицы весом до 20 кг, как и во многих “высоких” печах. Английские термины: bowl-shaped furnace, funnel-shaped furnace.
Собственно исторические (сыродутное) железо и (сырцовая) сталь, (wrought) iron and steel. Сплавы железа с углеродом, менее 0.3% углерода для железа, 0.3-2.1% углерода для стали. От 1% до 5% шлаковых включений. Отдельно рассматривают фосфористое железо – с содержанием фосфора от 0.2%. Если сейчас фосфор считается почти безусловно вредной примесью для сталей (за исключением отдельной категории фосфористой стали), то ранее это было не всегда так. Фосфористое железо тверже железа обычного (хотя уступает большинству сталей), лучше сваривается, чуть менее подвержено коррозии, ярче блестит при полировке. Последнее использовалось для отделки в тех регионах, где были одновременно распространены сталь и фосфористое железо.
А теперь к прямому процессу, его продуктам и его печам.
Вот главный полуфабрикат – крица. В данном случае – продукт современного эксперимента.
А вот – уже в товарном виде, из раскопок.
Вот и одна из печей, в постройке и в действии, современный эксперимент.
Как оно работает? все из-за того забавного факта, что температура плавления сплавов всегда ниже, чем температура плавления чистых веществ. Температура в сыродутной печи недостаточна, чтобы расплавить чистое железо – но зато ее вполне хватает для того, чтобы расплавить породу, в которой соединения железа находятся. Восстанавливающееся из руды железо сплавляется с углеродом древесного угля, фосфором, марганцем, другими примесями руды – и образует в результате крицу, пористый комок металла, смешанного со шлаковыми включениями – смесью оксидов кремния, железа, алюминия, марганца, калия, магния… И хотя сам процесс используется уже, как минимум, три тысячи лет, его подробности изучаются до сих пор. Тут две основные причины. Первая: в прямом процессе происходит одновременно множество реакций, находящихся в сложном равновесии, плюс эти реакции разные в разных частях печи, и по-разному распределены в объеме в разных типах печей. Результат работы печи зависит от: руды, типа печи, силы и постоянства потока воздуха, соотношение количества дров и древесного угля, используемого для плавки, добавки в руду песка, известняка, материала стенок печи… Вторая: к моменту бурного развития химии и физики во второй половине 19 века прямой процесс успел давно уйти из промышленного производства. И в результате, до 1960х большинство представлений о нем было теоретическим. В середине 1960х начались экспериментальные исследования, которые продолжаются по сей день.
Основные шаги от руды до металла:
- добыча руды;
- промывка, дробление;
- обжиг руды – принципиально важный момент, удаляет одну из самых вредных для железа примесей – серу;
- подготовка и загрузка печи – тут множество нюансов, в зависимости от конструкции;
- собственно выплавка металла, собственно прямой процесс;
- извлечение крицы и ее первичный обжим для удаления основной массы шлаков – тут опять масса нюансов, зависящая от конструкции печи, поскольку масса крицы может быть от порядка килограмма до порядка тонны…
Получившаяся крица, кроме шлаковых включений может состоять из: почти химически чистого железа, фосфористого железа, в котором количество фосфора в металле может достигать 1%, смеси сплавов железа с разным количеством углерода – от практически нуля до 2.5%, то есть весь диапазон углеродистых сталей и чугуна разной степени равномерности, смеси углеродистых и фосфористых сплавов железа – в этом случае содержание углерода обычно не превышает 0.6% из-за особенностей взаимодействия фосфора и углерода в кристаллической решетке железа.
Но в основном, что именно получится, зависит от руды, печи и выбора мастера. И здесь есть одно распространенное современное заблуждение. “Они возились с железом, я знал – только сталь годна.” В отличии от героя Киплинга, металлурги прошлого зачастую делали выбор в пользу именно железа, мягкого, ковкого, хорошо сваривающегося, пригодного для большинства повседневных нужд. Если из одной руды, в одних печах можно было изготовить и железо, и сталь – до 80% продукции могло быть именно железом.
Почему? Сталь – самый неудобный и самый затратный продукт в прямом процессе. И чугун, и железо можно получить быстрее, причем заметно быстрее – разница между 8-12 часами плавки и 18-36, иногда и больше. Соответственно увеличивается и расход топлива, плюс сталь обязательно требует большего количества древесного угля, чем железо, что тоже увеличивает трудозатраты. И если результатом будет сталь невысокого качества, которая в среднем стоила вдвое-вчетверо дороже железа, затраты могут и не окупиться. Поэтому наблюдается интересное явление: стабильно сталь производилась или “для себя”, в сравнительно закрытых сообществах, где железо не было важным элементом торговли, или напротив, на продажу, на экспорт – в местах, где руды позволяли делать качественную сталь с меньшими затратами. Качественную – ту, что стоила уже в 5-10 раз дороже железа, что на практике значило 0.4-0.7% углерода с достаточной стабильностью, что шла на лезвия сварных ножей и кос, на цельностальные топоры и ножи. Сталь, использовавшаяся для оружия и доспехов высшего класса, стоила еще на порядок дороже, в 50-150 раз дороже железа.
Вторая причина – даже во времена античности и средневековья очень много железа шло не на инструменты и оружие, а на конструкционные и хозяйственные цели. Гвозди и скобы для строительства и кораблей, сосуды для выварки соли… При крупном строительстве даже страны с отлично развитой собственной металлургией зачастую были вынуждены закупать именно конструкционное железо даже не у своих соседей, а у более далеких стран.
В результате, до 18 века во многих регионах выплавка железа была одним из крестьянских промыслов, зачастую даже не на продажу – просто для самообеспечения. В случае Скандинавии, например – одна печь на несколько семей, каждая семья самостоятельно заготавливала руду и дрова, и в оговоренной срок плавки шли одна за одной, ради экономии топлива, пока печь не остыла. Конструкция печи была оптимизирована именно под такой процесс и только под железо. Те самые бесшахтные печи, про которые шла речь в начале статьи. При этом в соседнем регионе могло идти массовое производство на продажу, уже с использованием более сложных печей, а то и домн.
Развалины бесшахтной печи 17 века. Внешний диаметр 1.5 метра.
Продолжение следует!
Основные источники: Бухвальд 2005 Iron and steel …, Бухвальд 2008 Iron, steel and cast iron…, Кру 2013 Twenty-five years of bloomery experiments…, Кру 2011 Cast iron from a bloomery furnace, Завьялов 2018 Modelling of bloomery processes... .
Точные ссылки и полный список – в карточке статьи на сайте Kopist.site .
Подписка, комментарий, лайк помогут развитию канала. Спасибо!