Сегодня у нас не самый напрашивающийся элемент для цикла статей "Приключения металлов".
Сегодня мы поговорим про углерод.
Да, это ни разу не металл. Но без него не было бы самого распространенного металла на Земле - железа.
Железо в чистом виде на нашей планете не встречается, а если и встречается, то это - метеоритное железо.
Поэтому, чтобы получить железо, его надо выплавить. Да, есть металлы с невысокой температуры плавления, которые можно выплавить в печи на дровах.
Но это не железо.
Сжигая дрова, невозможно достигнуть температуры в 1538 °C - а именно при такой температуре плавится железо.
Почему же тогда однажды на нашей планете наступил железный век?
Это случилось благодаря безвестному первобытному гению, изобретшему уголь.
"Что значит - "изобретшему уголь"? - спросите вы. - Зачем его изобретать, если угли можно увидеть в любом костре?".
В том-то и дело, что в костре одновременно происходят два события - процесс обугливания, то есть удаления из древесины влаги, кислорода и водорода и собственно процесс горения.
Так вот - наш первобытный гений потому и был гений, что догадался их разделить. Разнести, так сказать, во времени. Давайте, мол, братцы первобытные, сначала учиним процесс обугливания, и только потом - процесс горения. Я вас уверяю - в середину еще можно будет вставить весьма приятный процесс получения денег или каких-нибудь иных добряков.
Почему? Давайте обо всем по порядку.
Что такое процесс обугливания? Это процесс производства древесного угля, или, по-научному, процесс пиролиза древесины. Суть этого процесса очень проста - нагревание древесины без доступа воздуха (или с его минимальным количеством).
Сначала особым образом укладывали бревна
Потом их обкладывали дерном и землей, чтобы перекрыть кислород. После того, как кучу поджигали, на "холме" замазывали все дыры, оставляя буквально несколько штук.
Начиналось "угление" - самая ответственная фаза, длившаяся от нескольких дней до двух недель.
Угольщик (или углежог, как его чаще называли) постоянно дежурил у кучи. Он регулировал процесс, протыкая в земляной корке отверстия для притока воздуха или замазывая их, если горение становилось слишком интенсивным. Его главная задача — не дать древесине сгореть в пепел, а медленно "перегреть" ее без пламени, она должна тлеть, а не гореть.
Не такое это простое дело было.
Как писал Павел Бажов в своем рассказе «Живинка в деле»: «По нонешним временам, при печах-то, с этим попроще стало, а раньше, как уголь в кучах томили, вовсе мудреное это дело было. Иной всю жизнь колотится, а до настоящего сорта уголь довести не может».
И дальше: «Как стали плахи в кучи устанавливать, дело вовсе хитрое пошло. Мало того, что всякое дерево по-своему ставить доводится, а и с одним деревом случаев не сосчитаешь. С мокрого места сосна – один наклон, с сухого – другой. Раньше рублена – так, позже – иначе. Потолще плахи – продухи такие, пожиже – другие, жердовому расколу – особо. Вот и разбирайся. И в засыпке землёй тоже».
Но общая суть процесса неизменна. Когда бревна нагреваются до 350-500°C, начинается разложение сложных органических веществ, составляющих древесину - целлюлозы и т.п.. При этом испаряются вода и летучие соединения (газы, смолы, кислоты) и остается практически чистый углерод (до 80-92%) — тот самый древесный уголь.
Поэтому углежог следил за цветом дыма: сначала шел белый, влажный пар (испарялась вода), потом — густой желтый (начало пиролиза, выделение смол, дегтя и пр.). Когда дым становился сизым и прозрачным, это означало, что угление подходит к концу. Все отверстия тщательно заделывали, и куча медленно остывала несколько дней. Затем ее раскапывали и получали готовый древесный уголь.
Да, да, тот самый, что мы все покупаем перед выездом на природу для мангалов и грилей.
Нам он, в общем-то, ни для чего, кроме шашлыков, не нужен.
А вот раньше спрос на него был огромен - о чем легко догадаться по размеру складываемых куч на фото и рисунках.
Зачем он был нужен?
Во-первых, в отличие от дров древесный уголь не дымит - там нечему дыметь. Поэтому он испокон веков использовался для обогрева помещений, как правило - с помощью традиционных жаровней с углями.
Во-вторых и главных - при сгорании древесный уголь выдает гораздо большую температуру, чем дрова. При использовании древесного угля в комбинации с поддувом достигается температура, достаточная для плавки железа и получения стали в доменных печах того времени.
Поэтому древесный уголь использовался для плавки железа не то что веками - тысячелетиями. Как точно заметили авторы изданной в НИТУ МИСИС энциклопедии "Металлургия и время":
"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 до середины XIX века".
И всех вроде все устраивало, и все было хорошо.
Но была одна проблема - производство железа требовало все больше и больше древесного угля.
Расклад простой, приведем только цифры. Производство тонны чугуна требовало в среднем 1,6 тонны древесного угля. С учетом передела чугуна в железо и последующей кузнечной обработки, где тоже требуется уголь для горна, пропорция изменяется до трех тонн древесного угля на тонну железа.
Пиролиз в угольных кучах давал очень низкий выход угля: всего 15-20% от массы исходной древесины. Таким образом, чтобы получить тонну железа, надо было извести примерно 15 тонн древесины.
Думается, понятно, чем все это заканчивалось.
Первые экологические катастрофы начались еще в античности. Только один пример - на острове Эльба был крупнейший римский центр по выплавке железа. Леса на острове извели еще во времена Римской республики, после этого добытую на острове руду пришлось возить в Популонию, расположенную рядом с лесистыми Лигурийскими горами. Нормального леса на Эльбе нет до сих пор, максимум - вот так.
Но по-настоящему серьезной проблемой это стало с началом промышленной революции.
В XVI веке из-за развития металлургии в Британии начали активно вырубаться леса. В XVII веке это стало большой проблемой, грозящей превратиться в катастрофу.
Как поэтически писал в своей монографии "Промышленная революция XVIII столетия в Англии" французский историк Поль-Жозеф Манту: "Чтобы поддерживать огонь железоделательного завода, требовалось большое количество дров; вокруг каждого металлургического завода совершались настоящие жертвоприношения деревьев. Развитие железоделательной промышленности имело своим неизбежным как будто следствием беспощадную эксплуатацию лесов и, в конце концов, полное истребление их".
Больше всего англичане боялись потерять свое главное богатство - строевой лес. Тогда им не из чего будет делать корабли, а без флота Англия не сможет существовать.
Как писал в 1665 году знаменитый металлург Дад Дадли: «Если леса будут и впредь уменьшаться и, в конце концов, исчезнут, то для нас потеряно будет то, что составляет самую главную силу Англии: ее суда, ее матросы, ее торговля, ее рыболовство, военный флот Ее Величества, наше наступательное и оборонительное оружие. Именно это и побудило предшественников Ее Величества, до и после 1588 г. <...> издать законы об охране лесов, подвергающихся столь великой опасности из-за железоделательных и литейных заводов».
Законы и впрямь были суровыми. Процитируем королевский Указ 1584 года: «Усматривая, что по причине крайнего нерадения, или по причине страшного множества железных заводов, которые существовали и существуют еще в лесах графств Сассекс и Сюррей, и Кент, строевые леса этих местностей претерпевают страшные повреждения, и в самое короткое время могут быть окончательно истреблены, если не принять против того меры, Мы повелеваем, чтобы с будущего праздника Пасхи, не было воздвигаемо в вышепоименованных графствах ни одного горна, ни одной кузницы, ни одного завода для выделки железа».
В XVIII веке вслед за Англией настал через Франции: «Многочисленные заводы, разбросанные по всем углам Франции и едва справляющиеся с удовлетворением разнообразных потребностей в железе нашего сельского хозяйства, наших фабрик и наших арсеналов, поглощают ежегодно такое количество древесного угля, которое, будучи подсчитано, кажется поистине ужасающим, и, к несчастью, не вызывает сомнений, что в нескольких частях империи это потребление древесного угля слишком не соответствует нынешнему состоянию большинства наших гибнущих лесов».
Если у тебя что-то заканчивается, остается единственный способ - купить это что-то у других.
Именно с упадком металлургии в Западной Европе из-за нехватки дерева связан был взлет развития металлургии в лесистых Швеции и России в XVIII веке.
Именно тогда, при Петре Первом, взошла звезда знаменитых уральских заводов. Это был очень мощный рывок, по итогам которого Россия стала ведущим производителем железа на планете и ведущим же экспортером металла.
Всю вторую половину XVIII века мы выплавляли вдвое-втрое больше железа, чем прежний ведущий производитель - Англия, и не только полностью закрывали собственные потребности, но и экспортировали металл.
Вывоз уральского железа постоянно рос, и к 1794 году достиг максимальных показателей - 3885 тыс. пудов. Главным потребителем была та самая Англия, которую мы так лихо обогнали в 1750-х.
Но потом...
Потом начались неприятности.
Во-первых, Россию настигла та же самая напасть, что и Англию. Липские (так называли современный Липецк) железные заводы были запущены в начале XVIII века, а уже к концу этого века их кочевряжило из-за отсутствия топлива - на уголь извели все вековые липовые леса в радиусе 15-20 километров. Выкорчевали лес и вокруг уральских заводов - пришлось налаживать сплав древесины по уральским рекам, которые были весьма плохо к этому приспособлены.
Именно уральским плотогонам посвящен известный роман Алексея Иванова "Золото бунта, или Вниз по реке теснин".
Во-вторых и главных, воспряла списанная всеми со счетов Великобритания с ее безлесными пустошами.
Перед самым приходом XIX столетия Англия неожиданно для всех почти догнала Россию: 9,5 млн пудов железа было выплавлено островитянами и 9,9 млн – московитами.
А дальше… Дальше все было очень грустно.
В 1820-м это соотношение составляет уже 25,2 на 9,3 в пользу Англии, в 1840-м – 86,9 на 11,3, в 1860-х – 237,2 на 20,4.
В десять раз больше! На порядок!
Что же произошло? Какие волшебники с палочками спасли британских маглов?
Об этом мы вам расскажем в следующий раз.
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить.