На канале "Книжные раскопки" начало давно обещанного цикла статей по подробностям японской черной металлургии, прежде всего - по производству стали тамахаганэ для японских мечей (да, я пользуюсь этим термином). Но будут и чугун, и передельный процесс. Сразу предупреждаю - статьи получатся длинные и достаточно технические. В этой статье - руда, конструкция и короткая история японских металлургических печей татара.
Затем, в следующий - собственно выплавка стали, чугуна и железа (татара-процесс, кэра-оси) и предварительная обработка стали. Дальше - выплавка чугуна (татара-процесс, зуку-оси), его переделка в железо и сталь и традиционное литье. Цены. Непосредственно ковку, форму и прочие детали производства мечей описывать не планирую - тут, кажется, информации и так достаточно даже на Дзене.
Автор в курсе современной классификации сплавов железо-углерод. Однако, традиционно в истории металлургии употребляются именно эти слова, в значениях: железо для содержания углерода до 0.2%, сталь - 0.2-2.1%, чугун - свыше 2.1% углерода. Подробнее тут.
Железные пески (сатэцу)
Начнем с руды, то есть в данном случае - с железного песка. Его месторождения в Японии образуются при выветривании гранитов и диоритов с большим содержанием магнетита.
То есть, хотя в железном песке и содержится некоторый процент бурого железняка, лимонита - никакого отношения к болотам и болотным рудам он не имеет. Совершенно непонятно, откуда такая идея могла взяться - но по интернету она ходит, оттого и это пояснение.
Самими японцами железный песок (сатэцу) делится, точнее, делился на много местных видов. Среди них были два из региона Санъин, на юго-западе Хонсю (сейчас префектуры Симане, Тоттори и Ямагути): маса и акомэ. И, поскольку именно на описание этих песков был сделан акцент в начале научного описания традиционной японской металлургии, их названия в современной литературе превратились в типы железного песка. Поэтому легко можно наткнуться в статье на фразу: "на основании [список фактов], песок данного региона относится к акоме..." Если будете читать японских авторов - имейте в виду. Из-за этого же, хорошие авторы всегда будут уточнять, песок какого региона они исследуют или используют, даже если они не приводят местного названия песка.
Какие между этими песками есть различия? Практическое: маса используется, прежде всего, в процессе кэра-оси (кераоси, кэраоши), для получения стали и железа. Акоме - в зуку-оси (зукуоши, дзукуоси), для получения чугуна.
Теперь займемся различиями геологическими, минералогическими и химическими, то есть происхождением и составом песков. Разница будет показана на песках префектуры Симане, по материалам исследования 2014 года. Обсуждаемые пески были обогащены традиционным способом - промывкой. Способ важен, чуть позже мы к нему вернемся.
Если обилие таблиц и спектров окажется чрезмерным - проматывайте сразу к печам :)
Минералогически, пески представляют собой смесь, в основном, магнетита (FeO·Fe₂O₃), гематита (Fe₂O₃) и небольшого количества ильменита (FeO·TiO₂). Исследователи, вместо традиционного анализа состава в общем, предварительно разделили песок по размерным фракциям и по реакции на магнит.
Маса:
Акоме:
Два явных отличия сразу: у песков очень разное распределение размера частиц, акоме в среднем мельче, и если в маса содержится 93% магнитной фракции, то в акоме - 71%.
Химический состав:
Акоме содержит больше гематита, и гораздо больше диоксида титана.
Рентгеноструктурный анализ (XRD) это подтверждает.
А также сообщает нам, что если взять из акоме хорошо магнитящуюся фракцию, мы получим примерно маса.
Примерно такой опыт также был недавно (публикация 2023 года) проделан. В следующей таблице железный песок был либо промыт (Gravity), либо собран при помощи магнитного сепаратора (Magnetic).
Заодно сравнение таблиц показывает, насколько разным может быть состав песков. Также был, в качестве примеси, добавлен новозеландский ильменит, наполовину состоящий из диоксида титана, и контрольный смешанный образец. Затем, из всех образцов, при одинаковых условиях, в лабораторной печи был выплавлен металл. Первые 8 образцов - естественные пески.
По классической классификации, исходно эти пески - акоме. Однако, при магнитной сепарации, из них получается сталь. И, если добавить в такой песок снова оксид титана (ильменит), вновь получится чугун. 9 образец, смесь с ильменитом.
Так что, как ранее и подозревалось, именно диоксид титана играет решающую роль при определении пригодности песка для получения стали. Заодно видно, что именно при получении чугуна из руды извлекается больше железа - столбец Slag T.Fe - общее содержание железа в шлаке.
Кроме того, возвращаясь к исследованию 2014 года. Исследования показали, что если маса состоит в основном из гематита и магнетита, то акоме - из титаногематита и титаномагнетита. В результате, с учетом среднего размера частиц песка, складывается интересная картина. Поскольку легче всего восстанавливается чистый гематит, затем титаногематит, магнетит и титаномагнетит, получается, что акоме начинает восстанавливаться раньше, чем маса. Кроме того, процесс восстановления идет при чуть более низкой температуре. И происходит это именно из-за наличия титаногематита. (Я очень постарался описать словами выводы из графиков... кому действительно интересна вся динамика процессов - ISIJ International, Vol. 54, No. 5.) Кроме того, полученный в опытах цементит (FeC), отвечающий за содержание углерода в полученном металле, образовывался, прежде всего, из того же титано-гематита, а не чистого гематита.
Судя по всему, именно из-за этого в большинстве традиций для выплавки стали не используют только песок маса, а на начальной стадии работы печи используют одни из видов акоме, предпочтительно - комори, в буквальном переводе - нянька. Или, при неимении - другие виды акоме в смеси с маса. Или, как следует из опытов 2014 и 2023, можно использовать слабо-магнитную фракцию маса или сильно-магнитную фракцию акоме. Но это уже будет выходить далеко за рамки традиционного процесса.
И на этом все про сатэцу.
Традиционная печь - татара
Вот она в виде, полностью сложившимся, примерно, к 19 веку. В центре - сама печь, справа и слева - распределители воздуха. В данном случае в них поступает воздух из мехов, приводимых в движение водяным колесом. А вот в разрезе конструкция печи куда более впечатляет.
Внизу она куда больше, чем над уровнем земли. В этой конструкции собственно верхняя часть речи, где непосредственно горит огонь и формируется крица - одноразовая, расходный материал. Начиная с уровня земли - постоянная, служащая годами и десятилетиями при качественной постройке. Столь сложное основание нужно и для дренажа (Япония - очень влажная страна), и для регуляции распределения температур во время работы печи. В подробностях - в статье о собственно выплавке металла.
Состоит основание из дренажной канавы и собственно фундамента печи из валунов, щебня и слоев глины. Затем идет низ печи с боковыми воздушными камерами кобуне, и непосредственное основание печи, заполненное древесным углем. Уголь для этого выжигается прямо на месте - строилась траншея, на дне ее - воздушная камера, через которую затем подавался воздух. Траншея заполнялась с горкой деревом, закрывалась глиной (с отверстиями для выхода дыма, естественно), поджигалось. После прогорания утрамбовывалось до ровной поверхности. И сверху, на подушке из золы, возводилась одноразовая печь.
В данном случае ее размеры - примерно 3 метра в длину, полтора метра в ширину и чуть менее полутора метров в высоту. На передней стороне оставлено три отверстия для отвода шлаков и чугуна. Дутье - через боковые стороны, фурмы расположены через каждые 15 сантиметров, направлены под углом вниз, так, чтобы создавать широкую зону максимальной температуры.
Меха с водяным приводом:
В качестве альтернативы могли использоваться различные конструкции с ручным, точнее ножным, приводом. Для одного рабочего:
Чертеж:
Или на много рабочих:
Чертеж:
Естественно, такая сложная конструкция не могла сложиться сразу. Чуть более простые фиксируются, например, на 16-17 век.
А собственно следы от длинных металлургических печей фиксируются в Южной Японии и в 9-12 веках.
Здесь их примерно половина. И становятся единственными в 12-16 веках:
Начиная примерно с 16 века в Японии начинает широко развиваться передел чугуна в железо и сталь. Соответственно, начинают строить как печи, предназначенные только для получения чугуна, так и печи, в которых, по выбору мастера, могли производиться и сталь, и чугун. Этих изменений и японских печей для кричного передела я коснусь уже в отдельной статье.
Ну и для завершения картины - печь и все окружающее хозяйство, не позднее 15 века, пряталась под крышу.
Основные источники: "Татара-процесс", Козука, 1966(яп), 1968(англ); "Минералогическое исследование железного песка с разными металлургическими характеристиками..." Тании, Иназума, Терасима, 2014; "Влияние оксида титана на производство чугуна в татара-процессе", Кубо, 2023; "История производства железа и стали в Японии", Тате, 2005.
Другие статьи по японской металлургии и исследованиям японских мечей и методов их производства:
Технологии железа и стали:
Подписка, комментарий, лайк помогут развитию канала. Спасибо!