Можно ли расплавить железо в средневековом кузнечном горне? А если да, то что получится в результате? На первый взгляд – нет. Максимальная температура, которую можно получить в кузнечном горне на древесном угле, с ручным дутьем – сварочный жар, около 1300-1400 градусов по Цельсию. Температура плавления железа – примерно 1540 градусов, разница велика. Так что да, если положить железо в тигель и отправить его в горн, жидкое железо ну никак не получится. Верно?
Однако существует ряд письменных источников, утверждающих крайне интересное – можно не просто расплавить железо в горне. Это именно то, что нужно сделать, чтобы получить железо лучшего качества, или даже сталь.
Главное при этом - не класть его в тигель.
Замечание: автор, историки, археологи и экспериментаторы, чьи работы в дальнейшем будут упоминаться в курсе 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 этот абзац почти в каждую статью.
Начнем с “Метеорологии” Аристотеля, около 350 года до н.э.
Возможный перевод фрагмента:
… однако железо плавится, до того, что оно станет жидким и затвердеет снова. Так делается сталь. Шлак опускается вниз и вычищается: когда это делается часто и металл чист, мы получаем сталь. Так не делают часто, поскольку бывает много отходов и большая потеря веса [металла]. но железо, в котором меньше шлака, лучше качеством.
Зачастую этот фрагмент трактуют как очищение сыродутных криц от шлака путем повторного нагревания, однако упоминание больших потерь веса допускает и другую трактовку – реальную переплавку железа, поскольку потеря порядка 10% веса при повторном нагреве и проковке вряд ли может быть сочтена большой.
Следующая группа письменных источников – ирландские, 3-8 веков. В них упоминается íarn aithlegtha, которое может быть переведено как расплавленное или переплавленное железо, и отличается от собственно íarn – железа. (Да, это не единственная гипотеза, альтернатива – цементированная сталь. Однако aithlegtha все же буквально значит “переплавленное”.)
Далее, скандинавский источник 18 века. Оле Эвенстад, 1790 “Описание железных руд, которые находятся в болотах и полях Норвегии, и метод, которым из них изготавливается железо и сталь.” В книге имеются две главы, посвященные тому, как, во-первых, переплавить железо для очистки, не упоминается от чего – и не получить при этом сталь. Второе, как намеренно переплавить железо в сталь. Процесс одинаков, и отличается только положением фурмы в печи – она должна либо находиться ближе к дну для получения железа, либо выше – для получения стали. Или, говоря современным языком, для создания зоны науглероживания в печи, в прямой параллели с японским процессом ороси (ороши, оросизация, oroshi), в варианте для получения твердой стали из железа.
Так как же можно переплавить железо, не расплавляя его? Все меняется, если железо положить на уголь. При подходящем режиме дутья поверхностный слой железа будет науглероживаться – и плавиться. Стекать мельчайшими каплями. Снова терять углерод. Сплавляться с предыдущими каплями…
Не то, что б это было новостью для ученых – первый описанный опыт на эту тему относится еще к 18 веку (Свен Ринман, 1782). Однако, вплоть до конца века двадцатого раздавались утверждения, что это неверно, и такого быть не может.
Однако же, эксперименты показывают обратное. Мне удалось найти описание нескольких экспериментов (серий экспериментов) на эту тему. Самый ранний – Роберт Томсен,1975 (Дания); два принадлежат англичанину Ли Саудеру (2010), , еще два – коллективу Музея истории культуры университета Осло; еще два – коллективу авторов из Центральной Европы во главе с Павлом Куципера (Польша) и Иржи Гошеком (Чехия); и еще один – Лоренци Чртомир, Юниверсити Колледж Дублин.
Последний из экспериментов наиболее примечателен тем, что целью было переплавить железо – однако получилась высокоуглеродистая сталь.
Как это было? В своем исследовании Лоренци Чртомир поставил целью воспроизвести полный процесс средневековой работы с железом, от добычи руды до законченного изделия (клинков ножей), с определением эффективности разных этапов, трудозатрат, потерь металла и т.п. А также определения, как различные способы металлопроизводства и металлообработки влияют на конечные изделия, и соответствия полученных данных археологическим находкам.
Все началось с руды.
Затем была построена копия средневековой ирландской металлургической печи и выплавлено железо, две плавки.
Крица из второй плавки затем была разрублена и пошла в маленький горн, копию весьма примитивного средневекового ирландского кузнечного горна. Обратите внимание на небольшой размер горна!
Строго по инструкции Оле Эвенстада, первый из кусков крицы был разогрет в горне до сварочного жара, помещен перед фурмой, через которую шло дутье от ручных мехов, и к нему последовательно были добавлены остальные куски крицы с флюсом из песка и раздробленного шлака от плавки. Получившаяся в результате губчатая крица была извлечена щипцами и сразу же грубо откована в брусок металла.
Из бруска были затем изготовлены ножи, которые при металлографическом исследовании оказались состоящими из практически чистого перлита с малым числом шлаковых включений, т.е. из стали с содержанием углерода 0.7-0.8%. Причина получения стали вместо железа: большой потек шлака, который эффективно перенаправил поток воздуха с горизонтального на под углом вверх, что увеличило эффективную глубину горна и создало зону науглероживания.
А остальные эксперименты?
- Томсен: переплавлено железо, что и было целью эксперимента;
- Саудер: получена сталь, в другом эксперименте при переплавке было значительно снижено содержание фосфора в железе;
- Музей истории культуры университета Осло: железо переплавлено, сталь с достаточным содержанием углерода не получена;
- Куципера: получена сталь с содержанием углерода 0.8-1.2% с уменьшенным, по сравнению со сталью полученной непосредственно в сыродутной печи, количеством шлаков.
Разной степени удачности, все эти эксперименты подтверждают главное – железо действительно “плавится”, точнее “переплавляется”, меняя при этом состав.
Отчего же этот метод получения стали не сталь основным в античности и средневековье? Очень большие потери металла, о чем писал еще Аристотель. Минимальна потеря составляет около 40% массы исходного металла, при неудаче можно потерять и около 60%, при грубой ошибке – сжечь весь металл. Науглероживание железа в герметичных сосудах, тигельный метод (булат), получение стали сразу в сыродутной печи при подходящей руде оказываются куда более предсказуемыми и выгодными. В среднем. При массовом производстве.
Употреблялся ли этот метод при производстве отдельных, высококачественных изделий отдельными группами мастеров – вопрос для исследований и переисследований археологических находок. Пока удалось установить только отдельные признаки для сталей, произведенных таким способом: содержание оксида железа в шлаковых включениях гораздо ниже, чем для сырцовой (полученной непосредственно в сыродутной печи) стали, но выше, чем для тигельных сталей (булата).
С этим вопросом тесно связан другой – вопрос о происхождении металла для высококачественных мечей-каролингов. Производились ли они из ввезенной с Востока тигельной стали, из металла отдельных месторождений по Рейну или в Норвегии? Или из металла одной из “железных гор” Австрии? Или все варианты могут оказаться верными? Продолжение следует :)
Основные источники: Lorenčič Črtomir, Ремесло работы с железом, 2017; Дональд Вагнер, Древнее науглероживание железа до стали: комментарий, 1990. Полный список источников и точные ссылки – в карточке статьи на сайте Kopist.site
Дополнение: исходно данный материал был написан как пример именно маленькой, осуществимой без серьезных вложений труда многих людей технологии (в эксперименте Чртомира участвовало двое, все работы уложились в две недели). Теоретически доступной с начала железного века, хотя и не факт, что сколько-нибудь широко использовавшейся. Но внезапно я столкнулся с мнением о том, что древесный уголь в принципе не может дать достаточно высоких температур, что с ним не делай и в каких печах не используй. В результате появилась следующая статья:
Другие статьи на канале по истории технологий железа
Подписка, комментарий, лайк помогут развитию канала. Спасибо!
