Первое железо
До того, как люди научились обрабатывать железную руду, они пользовались железом метеоритного происхождения. Об это свидетельствуют и первые названия этого металла. Древние египтяне называли его «небесным телом», шумеры – «небесной медью», а в греческом и латинском языках он назывался «звездным».
Это железо было редкостью, считалось драгоценным как золото, поэтому обычно его использовали в ритуальных целях. Но такого железа было недостаточно, чтобы оно могло вытеснить бронзу.
Первым народом, освоившим выплавку железа, считаются хетты. Это произошло между 1300-1200 гг. до н. э.
Европейцы овладели этой технологией лишь через сто лет. В Древнем Китае ковку металла освоили в 500-х гг. до н. э. В Японии, известной на весь мир своими катанами, производство было налажено в VII в. н. э.
В любом случае во всех государствах железо считалось редким и дорогим ресурсом.
Железные доспехи были очень дорогими, монархи хранили слитки железа в сокровищницах вместе с золотом и серебром. Мечи передавали по наследству. Это было связано с тем, что процесс поиска руды, ее добыча, выплавка металла и изготовление чего-либо из него было долгим и трудоемким занятием.
В эпоху Античности и раннего Средневековья железо получали из бурого железняка, лимонита. Руду находили на заболоченных полях, озерах и лугах.
Сейчас такая руда не используется, так как в ней содержится большое количество примесей. Так, бурый железняк содержит всего 20-60 % оксида железа. Но его главным преимуществом является то, что он распространен почти везде и его легко добывать.
Для добывания руды не берегу озера выкапывали небольшую яму. Постепенно яма наполнялась водой, ее вычерпывали, стенки укрепляли бревнами, чтобы они не обрушались.
Сыродутный процесс
Главным методом получения железа был сыродутный процесс.
В земле выкапывался горн — горизонтально вырытое отверстие в склоне оврага. В него укладывали добытую руду, обложенную сверху и снизу древесным углем.
Затем разводили огонь. Кузнец мехами из шкур нагнетал воздух, чтобы повысить температуру в зоне плавления. Раскаленные угли прокаливали руду, восстанавливая окись железа до металла. Шлак отделялся и стекал. Из остатков руды получалась крица - тестообразное губчатое железо.
В крице тоже было много шлака. Его отделяли ковкой с помощью молотка. В результате доля шлаков в хорошей заготовке составляла всего 2–4 %.
На производство меча уходил минимум месяц. Производство доспехов занимало целый год. Самым трудоемким был процесс изготовления латного доспеха. Чтобы выковать с помощью молотка пластины одинаковой ширины и толщины тратилось много времени и сил.
Поэтому только представители знати могли позволить себе иметь меч, саблю и железные доспехи. Простые люди в качестве оружия использовали копья, топоры, луки и стрелы. Доспехи изготавливали из кожи.
Со временем древние металлурги овладели более эффективными методами получения железа. Они увеличивали высоту горна и совершенствовали механизмы продувки. Так, китайские мастера использовали водяное колесо, которое приводило в движение ящики с воздухом. Таким образом они достигали в зоне плавления температуры 1350 °С, достаточной для производства чугуна.
К технологическому оборудованию для производства железа также относились хранилища для сырья и установки для подготовки материалов к плавке.
Конструкция сыродутного горна
Конструкция сыродутных горнов отличалась большим разнообразием. Обычно их строили из высокоогнеупорной глины на каркасе из плетеных прутьев, а для укрепления стенок печи применялись деревянные обручи.
В некоторых случаях горн помещали в деревянный сруб или обкладывали камнями или кусками шлака.
В Древнем мире сыродутный горн чаще всего представлял собой цилиндрическую конструкцию, диаметр которой составлял 35-40 см, а высота – около 1 метра.
Изнутри горны обмазывали огнеупорной глиной, к которой иногда подмешивали песок и измельченный рог. Это позволяло улучшить качество огнеупора.
Ученым удалось выяснить, что применявшиеся для футеровки сыродутных горнов огнеупорные материалы обладали термостойкостью от 1300 до 1700 °С.
Перед плавкой их в течение нескольких часов нагревали, используя для этого слабое пламя древесного угля при небольшом потоке воздуха.
Воздух подавался с помощью мехов или посредством создания естественной тяги через различное количество отверстий.
Иногда сыродутные 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. Так, чтобы расплавить до 100 кг руды требовалось до двух и более суток.
Перед плавкой сыродутный горн просушивали и прогревали. Потом его на две трети заполняли древесным углем и укладывали шихту.
Над верхней частью горна снова укладывали древесный уголь таким образом, чтобы образовалось небольшое коническое возвышение.
Воспламенение древесного угля осуществлялось через канал для выпуска шлака или фурменное отверстие. Для его наполнения использовали мелкие дрова, хворост и раскаленные головни древесного угля.
Подача в горн дутья приводила к разжиганию угля, углерод которого в условиях недостатка кислорода горел, в результате горения образовывался монооксид углерода. Таким образом, в печи создавалась среда, в которой происходил процесс восстановления железа из оксидов.
