какой металл стали обрабатывать первым
Первые металлурги
Около 9 тыс. лет назад люди открыли для себя металлы. Древнейшие свидетельства этого найдены на востоке Малой Азии. Люди, населявшие эту территорию, научились обрабатывать самородную медь. Медь – мягкий податливый металл, его можно ковать холодным. Именно так из неё делали бусы и булавки.
Независимо друг от друга центры обработки меди, золота и бронзы появились и в других, как правило горных, районах Азии, Европы и Центральной Америки.
Примерно 2,5 тыс. лет назад китайские мастера научились строить плавильные печи с высокой температурой. В них они впервые получили чугун.
Преимущества железа перед другими металлами были очевидны. Железная руда встречается гораздо чаще, чем медная. Предметы из железа очень прочны и долговечны, а их стоимость существенно ниже, чем медных и бронзовых. Это привело к быстрому переходу от бронзового века к железному.
Развитие общества не только ускорилось, но и стало неравномерным. Группы людей, расселившиеся по огромным пространствам суши, оказались в несхожих природных условиях. На самых благоприятных территориях Ближнего Востока, Северной Африки и Юго-Восточной Азии переход от первобытности и цивилизации начался в энеолите – медно-каменном веке. В других районах Земли это стало возможно только после освоения бронзовых, а в большинстве случаев – железных орудий труда. Сами сроки перехода от камня к металлу и от бронзы к железу на разных территориях не совпадали и могли расходиться на тысячелетия.
Содержание:
Древний мир как колыбель современных технологий металлообработки
На различных континентах и в отдельных социумах человек научился работать с медью не одновременно, поэтому весь этот период историки датируют с запасом: V-III тысячелетиями до нашей эры. Не следует думать, что в это время уже произошел бурный расцвет технологий – в медном веке большая часть предметов быта и инструментов для обработки почвы по-прежнему изготавливалась из камня. Эпоха обработки меди только начиналась. Кроме того, изготовленные из меди предметы оказались слишком мягкими. Для украшений это не было недостатком, а вот медные орудия труда быстро деформировались и нуждались в восстановлении исходной формы при помощи ковки.
Сейчас можно только догадываться о том, какие эксперименты с огнем, кусками медной и оловянной руды привели древних людей к случайному созданию сплава, который оказался тверже обоих исходных металлов. Изготовленные из бронзы наконечники для стрел, топоры, иголки и другие инструменты ознаменовали наступление нового исторического и технологического периода в жизни человечества – бронзового века.
Найденные археологами предметы, изготовленные из бронзы, меди и золота, свидетельствуют о значительно возросшем к 13-11 векам до нашей эры уровне навыков и приемов работы древних людей с металлами. А обнаруженные при раскопках следы медных и оловянных рудников 
того периода – о существовании достаточно полного и совершенного комплекса добычи нужных металлов и их последующей обработки. Описывая данный период, историки смело употребляют современные термины – «металлургия», «импорт меди и бронзы», и это говорит о подлинном расцвете производства металлов и торговли между образовавшимися в то же время городами – государствами, и плотно заселенными провинциями.
От железного века к эпохе новых способов металлообработки
Железный век пришел на смену бронзовому, и стал для человечества переходным периодом к открытию и началу повсеместного использования новых приемов обработки металлов. Люди уже дано освоили ковку, а теперь и примитивное литье металлических изделий, хотя эти способы не позволяли изготавливать все необходимые в быту и нужные для созидательной трудовой деятельности предметы.
Даже проблема чрезмерной мягкости железа при помощи многократного отжига и обогащения его углеродом была успешно решена – сначала некоторыми отдельными народами, а затем, с течением времени, этот способ распространился по всему миру. Однако для получения более совершенных изделий нужно было научиться делать в железных предметах отверстия. Частично эта проблема решалась в процессе литья, но этим способом было невозможно обеспечить точные отверстия небольшого размера.
Сверлить камень научились еще в Древнем Египте. Высеченные из кремня первобытные сверла успешно справлялись с этой задачей, но для сверления отверстий в металле они не годились. Намного позднее сверла в виде острого пера стали изготавливать способом ковки. Первобытное приспособление для сверления отверстий напоминало современный коловорот, который для большей эффективности утяжелялся мешками с песком. Но металлические спиральные сверла, частично напоминающие современные, научились изготавливать методом ковки только в Средние века.
Кроме сверления отверстий, в процессе изготовления металлических предметов нужно было научиться чисто обрабатывать их поверхность, которая после литья в простейшие формы редко получалась достаточно гладкой. Прогресс неуклонно подталкивал людей к необходимости обработки металлических заготовок при помощи режущих инструментов, изготовленных из более твердого металла. Но до появления способов обработки вращаю
Развитие точной механики как технологический фон совершенствования средств металлообработки – замки, часы, навигация
Значительным подспорьем для конструкторов первых приспособлений и станков, при помощи которых стало возможным обрабатывать литые металлические заготовки и изделия, стали технические новации и разработки, появившиеся в других областях практической деятельности человека. Учитывая важную роль мореплавания, которое имело большое значение для международной торговли и военного дела, многие видные ученые тех лет занимались совершенствованием навигационных приборов.
Даже первые механические часы с точным ходом, собранные талантливым английским механиком Джоном Гаррисоном в 1735 году, были задуманы как более совершенная замена примитивным морским хронометрам, не позволявших с нужной точностью определять координаты кораблей методом астрономической космографии. А прообраз современного секстанта – прибор с высокоточной оптикой, позволяющий определять местоположение движущегося судна, в 1730 году изготовил и опробовал английский физик Джон Хэдли.
Все эти достижения были бы невозможны без металлообрабатывающих станков, при помощи которых удалось изготовить детали этих сложных механизмов. Повышенные требования к точности для деталей часовых механизмов, а также появление новых конфигураций обрабатываемых поверхностей породили массу новаторских изобретений в области металлообработки.
Благодаря этому были реализованы идеи создания конструкций, которые ранее невозможно было воплотить в жизнь. В свою очередь, новые решения авторов удачных конструкций впоследствии пригодились создателям станков, которые использовали некоторые идеи как отправную точку для повышения точности и совершенствования механизмов токарного станка.
Токарный станок и технологическая революция в металлообработке
Историки настаивают, что конструкция станка с двумя центрами, которые удерживали между собой деревянную деталь, была известна еще в середине VII до н.э. Деревянную заготовку вращали – то в одну, то в другую сторону специально выделенные для этой работы рабы. Древний «токарь» постепенно обтачивал заготовку примитивным металлическим резцом, но уже тогда результат такой работы оправдывал несовершенство конструкции и связанные с этим затраты времени и труда.
Со временем обрабатываемую деталь научились вращать при помощи лука с прослабленной тетивой, которая обхватывала, и при поступательном движении лука раскручивала заготовку. Опять же, это вращение совершалось попеременно в разные стороны. Более прогрессивный – ножной привод с шатуном, педалью и кривошипом, конструктивно напоминающий швейные машины недавнего прошлого, появился в XV веке. Это был переломный момент в развитии токарного станка – теперь деталь безостановочно крутилась в одном направлении, и мастеру стало работать намного удобнее.
Мощности усилия такого привода для обработки металлических деталей не хватало. Кроме того, точить твердые материалы, держа резец в руке, было почти невозможно. На помощь была призвана сила текущей воды, и водяное колесо на несколько веков стало основным движителем механизма токарного станка. Теперь и металлические детали стали подвластны умелому токарю, хотя резец по-прежнему приходилось держать в руках, опирая его на простейшую подставку.
И все же, для того чтобы облегчить токарные работы и сделать их более точными, потребовалась существенная доработка конструкции станка, затронувшие все его основные системы. Задача была поставлена, но механикам тех лет пришлось немало поработать, чтобы найти соответствующие технические решения. Самые интересные из них, разработанные в XVI веке французским ученым и математиком Жаком Бессоном, и изложенные им в трактате «Театр приборов и машин», оказали огромное значение на дальнейшее развитие принципов металлообработки.
Многие из идей этого гениального человека реализованы, и используются в конструкциях современных станков сегодня. В собственной разработке токарно-винторезного станка ученый предусмотрел возможность обработки деталей не только стандартной цилиндрической формы, но и любых конусообразных поверхностей.
Развитие технологии металлообработки в России
Не отставая от иностранных коллег, российские мастера еще в XV веке подключили свои станки к водяным мельницам, поручив воде вращать заготовки, закрепленные в токарном станке, и прообраз винтового сверла в сверлильном. Спустя почти два с половиной столетия революционный вклад в разработку принципов устройства токарных станков внес талантливый российский ученый Андрей Константинович Нартов – член Академии Наук, состоявший в чине статского советника.
До этой разработки токарю приходилось удерживать и перемещать резец вдоль обрабатываемой детали вручную. Суппорт Нартова не только решил эту проблему, но и за счет управляемого перемещения инструмента позволил выполнять на станках нарезку резьбы и зубьев шестерен. Значение этого изобретения для эволюции металлообработки трудно переоценить, и оно по праву входит в перечень технических новаций, оказавших существенное влияние на развитие производственных возможностей человечества.
Примерно в те же годы во весь голос заявили о себе и тульские оружейники. Талантливый механик – самоучка по фамилии Сидоров создал мощный агрегат, позволявший с большой точностью высверливать ружейные стволы. Его приводила в действие водяная мельница. Взяв разработку Сидорова за основу, не менее выдающийся механик и оружейных дел мастер Яков Батищев создал конструкцию станка, который мог сверлить стволы для 24 ружей одновременно.
В двух шагах от промышленной революции – темпы развития ускоряются
Возраст металлов Хронология, характеристики, инструменты
Возраст металлов это имя, данное одному из периодов, в которые разделена предыстория. Его начало в 6500 году. C., когда заканчивается каменный век и продолжается примерно до 450 г. C. Основной характеристикой и тем, что дает ей название, является использование металлов людьми.
В эту эпоху мы начали не только использовать металлы, но и обрабатывать их и делать сплавы, создавая металлургию. Эта историческая новинка не осталась одна в создании инструментов. В связи с этим в сельском хозяйстве произошли новые успехи, которые привели к тому, что человек стал более оседлым и появился в больших городах..
Кроме того, излишки, произведенные благодаря новым инструментам, привели к появлению коммерции. Другие события, связанные с использованием металлов, были улучшение питания и создание более сложных социальных структур в поселениях.
хронология
Как и другие исторические периоды, эпоха металлов не появлялась одновременно во всех регионах. По словам историков, это началось около 6000 года. C., заканчивая каменный век. Эта эпоха оказала особое влияние на Европу, Азию и Африку..
Большая продолжительность этого исторического века (который закончился около 450 г. до н.э.) заставляет его делиться на три разные части, с металлическим героем в каждой из них. Первым был так называемый медный век, за которым последовал бронзовый век. Последним этапом стал железный век.
Медный или халколитический век
Этот первый этап длился от 6500 до 2500 лет. В этот период человек начал использовать металлы, такие как золото, серебро и, конечно, медь, в свою пользу..
Это привело к эволюции животноводства и сельского хозяйства со всеми социальными и демографическими изменениями, которые подразумевают.
Бронзовый век
Второй период эпохи металлов начался в 2500 году. C. и закончилось около 1500 г. C. В то время как медь и золото появлялись в природе и должны были подвергаться обработке, бронза требовала предварительной металлургической работы. Это сплав между той же медью и оловом.
Полученная бронза более устойчива, чем медь, и, следовательно, более полезна при изготовлении инструментов. Его появление началось в Южной Азии и распространилось на Северную Африку..
В социальном плане человеческая сидячая жизнь была консолидирована, и были основаны более сложные города. Морская торговля была также развита.
Железный век
С 1500 а. C. Железо использовалось в качестве сырья. Это не был неизвестный элемент, но он считался почти священным, и его использование ограничивалось ювелирными изделиями. Это были хетты, которые начали использовать его в других областях.
Как произошло открытие металлов?
Хотя многие металлы были обнаружены в природе в пределах досягаемости людей, для их извлечения им необходимо было разработать методы для этой цели. Известно, что в Азии медь уже использовалась для изготовления инструментов около 9000 а. С.
Золото и медь
Только в конце неолита человек изобрел необходимую технологию, чтобы начать добывать некоторые металлы. Одними из первых, кто смог работать, были золото и медь, около 6000 лет. С.
Сначала они использовали эти металлы для изготовления украшений, часто связанных с похоронными обрядами. Около 4000 а. C. уже построенные ножи или стрелы с медью.
Огромное преимущество перед камнями заключалось в том, что они могли его лепить и оттачивать. Кроме того, они научились плавить его, с помощью чего они могли сделать более долговечные и стойкие инструменты.
бронза
Бронза была важным шагом в развитии металлургии. Этот металл представляет собой сплав меди и олова, что означало дополнительную работу перед первичными. Однажды они начали использовать закрытые печи, чтобы расплавить его.
В зависимости от олова, из которого изготовлен сплав, бронзовый век произошел только в некоторых районах мира, где можно было найти этот металл. Между этими зонами они подчеркивают Ближний Восток, Китай и северо-запад Европы.
Благодаря большей полезности бронзы, человек начал производить больше того, что ему нужно для его существования, что привело к тому, что оно торгуется с излишками. Эта зарождающаяся торговля обогатила сообщества, которые ее развивали.
железо
Железо было известно задолго до того, как его использовали. Однако во многих культурах это считалось почти священным. Когда вы начинаете использовать, около 1000 года. C., его твердость и изобилие вызвали настоящую революцию.
Будучи найденным в природе гораздо более распространенным, чем, например, медь, железо использовалось для многих других разработок..
черты
Рождение металлургии
Это тот факт, что дает название эпохе и один из величайших достижений в раннем развитии человечества.
Благодаря этому появились важные нововведения в сельском хозяйстве, они начали торговать и изменили социальные структуры.
экономика
Хозяйственная деятельность, возникшая в то время, была связана с металлургией. Добыча полезных ископаемых стала очень важной и появились новые профессии, такие как работа ювелиров или металлургов.
Что касается торговли, то вначале в нее играли металлы, которых иногда не было в местах рядом с растущими городами, что заставляло прибегать к посредникам.
Как только торговые пути были открыты для этих обменов, они начали циркулировать через другие продукты, такие как ювелирные изделия, керамика или продукты питания..
Это была торговля, в которой использовался бартер, поскольку денег не было, как мы понимаем их сегодня..
Новые изобретения
Еще одной важной характеристикой эпохи металлов является появление новых изобретений в различных областях. Одним из них был транспорт, необходимый для перемещения металлов или продуктов, которыми они хотели торговать.
Два примера этих нововведений: колесо для наземного транспорта; и парусный спорт, для морского или речного. С другой стороны, стали использовать плуг, запряженный животными, что расширило возможности сельского хозяйства..
Общественная организация
Улучшение питания плюс малоподвижный образ жизни привели к росту демографии. Сельское хозяйство привело к рождению более фиксированных поселений, что породило города и поселки.
Оттуда изменений было много. Рабочие начали специализироваться, и появились первоклассные структуры, основанные на богатстве.
Аналогичным образом, технические достижения, которые привели к излишкам, привели к отказу от коммунальной системы, поскольку многие пытались накопить это богатство индивидуально..
Таким образом, концепция частной собственности родилась, и самые влиятельные начали осуществлять господство над другими. Чтобы установить контроль и некоторые правила должны были быть организованы в социальном отношении в виде города-государства.
искусство
Вышеупомянутые технические достижения и социальные изменения также затронули искусство. Появились новые художественные модели, многие из которых были связаны с религиями и похоронными обрядами..
Инструменты, которые они использовали
Появление технологий литья и формования позволило человеку разрабатывать лучшие инструменты и изобретения. Раньше сырьем был резной камень с гораздо меньшими возможностями, чем у любого металла..
Таким же образом было создано много инструментов, предназначенных для работы на местах. Сельское хозяйство было одним из великих бенефициаров эпохи металлов, с более эффективными плугами или инструментами, которые увеличивали возможности урожая.
Образ жизни
Эпоха металлов была великим изменением в образе жизни людей. Маленькие деревни, построенные во времена неолита, уступили место более крупным и лучше структурированным поселениям. Они начали строить оборонительные стены и стали появляться более развитые города.
Начало коммерческой деятельности заставило поселения, расположенные на новых маршрутах, обрести власть и богатство. Плодородие их земель или храмы, которые они принимали, также были элементами, которые подчеркивали важность каждого города.
Из-за зарождающейся частной собственности в этих городах начали развиваться первые социальные различия. Это было замечено даже в размере жилищ, которые были больше в том, что там было больше накопленного богатства.
Новые торги
Одной из причин этих социальных различий и иерархии, которая привела, было появление новых рабочих мест. Первые, которые приобрели значение, были связаны с металлами, такими как кузнецы или ювелиры..
Коммерция также привела к появлению своих профессионалов. Эти торговцы были основополагающими для города, чтобы получить богатство и признание.
Конечно, старые промыслы, такие как животноводство или сельское хозяйство, продолжали существовать с лучшими перспективами благодаря новым методам. То же самое случилось с ремесленниками.
Социальная структура
Когда размеры поселений увеличились, а экономика диверсифицировалась, потребовалась лучшая организация деятельности и социальной структуры. Это привело к появлению социального класса, посвященного правительству.
Вообще, на вершине пирамиды был суверен, был ли он назван королем, вождем или другими способами. Постепенно обвинение стало наследственным.
После босса появилась священническая каста, посвященная всем религиозным вопросам и которая, зачастую, служила оправданием власти короля.
На третьей позиции оказались воины. Они должны были защищать город, а также поддерживать порядок. Со временем многие породят дворянство с реальной политической властью.
В конце пирамиды, хотя были различия в зависимости от занятия, была простая деревня.
кормление
Хотя это может показаться чем-то не связанным с появлением металлургии, правда в том, что пища также пострадала от этого.
Во-первых, урожай был лучше и больше. Это позволило пище значительно улучшиться, и даже, что излишки могли быть получены прежде, чем немыслимо.
Наиболее распространенными продуктами были ячмень и пшеница. Следует отметить, как очень важные изобретения в этой области, чтобы плуг тянул животных или мельницу для измельчения пшеницы..
Еще одной отличительной чертой было зарождающееся исследование по продлению срока годности съеденного. Одним из наиболее используемых методов было соление.
Как добывали первые металлы?
История использования металлов человеком, таких как: медь, золото, свинец, олово насчитывает тысячи лет. Первые небольшие их партии, вероятно, были выделены из метеоритов. Затем люди научились добывать металлы с поверхности земли. А в эпоху Римской Империи уже был освоена технология горной добычи.
История добычи и использования первых металлов человеком.
Месопотамские племена делали из меди украшения, так как не располагали металлургическими технологиями. Египтяне применяли этот цветной металл в медицинских целях – обеззараживали воду, заживляли раны. Индейцы пользовались медными хирургическими инструментами.
Мягкий свинец использовался доисторическими людьми в производстве сосудов для транспортировки жидкостей, а также украшений. Римляне изготавливали из него трубы для акведуков. Первые упоминания о металле датируются серединой 6 века до нашей эры. Пользовался популярностью из-за легкости добычи и простоты обработки.
Появление бронзы (сплав меди и олова) бронза ознаменовало новый виток развития оружейных технологий. Начала активно использоваться технология литья. А с помощью ковки сплав делали прочнее.
Золото или Aurum (обозначается Au) в природе встречается в виде самородков (слитков разного размера). Люди обратили на этот металл внимание, благодаря его необычному цвету. Еще одно его преимущество – пластичность. Поэтому из Aurum изготавливали ювелирные украшения, чеканили монеты.
Олово или Stannum (обозначается Sn) было редким металлом. Люди научились его добывать из оловянного камня в 6 веке до нашей эры. Выплавлялся с использованием древесного угля, создания в печи дефицита кислорода. Но получить Sn относительно в чистом виде удалось только в 7 веке нашей эры. Металл ценился из-за высокой твердости.
Существует историческая гипотеза, что «Бронзового века», на самом деле, не было. Обосновывается это тем, что оловянный камень или касситерит залегает достаточно глубоко, а крупные его месторождения находятся в отдаленных, труднодоступных местах, таких как:
• Забайкалье;
• Якутия;
• Таиланд;
• Боливия;
• Кавказ.
Европейские месторождения олова также залегают на большой глубине. Ученые считают, что древние люди не располагали технологиями для добычи олова в промышленных масштабах. Им приходилось довольствоваться тем, что находили на поверхности.
Сегодня выплавляется огромное количество меди, золота, свинца, олова. Эти металлы широко используются в различных отраслях: машино и приборостроительной, химической, ювелирной, космической, а также в медицине, строительстве. Без них невозможно представить дальнейшее развитие цивилизации.
История развития металлургии
Ранние этапы развития металлургии
Несмотря на названия периодов эволюции первобытного общества, металлургия начинает свое развитие еще в каменном веке. Самые древние потуги человека в металлообработке датируются историками шестым столетием до нашей эры. Соответствующие археологические находки, свидетельствующие об этом, были обнаружены на Пиренейском полуострове, на Балканах (в Сербии и Болгарии), в британском Стоунхендже. Правда, возраст всех этих находок установить бывает не всегда легко.
Около 5500 лет назад человечество вступает в новую эпоху своего развития – Бронзовый век. Этот переход ознаменовался несколькими важными достижениями. Во-первых, человек научился извлекать олово и медь из горных пород. Во-вторых, ему удалось получить абсолютно новый сплав – бронзу. Однако дальнейшее развитие металлургии нуждалось в более технологичных и более сложных процессах, а потому – затормозилось на более чем два тысячелетия.
Принято считать, что технология получения железа из рудного тела впервые открылась хеттам – народу, обитавшему в Малой Азии и неоднократно упомянутому в Библии. Случилось это примерно в 1200 году до нашей эры. Именно с этой даты и начинается Железный век в развитии общества.
Следы развития черной металлургии можно увидеть в различных исторических культурах: в Древней Греции и Риме, Египте и Анатолии, Карфагене, Древнем Китае и Индии. Не лишним будет отметить, что многие из техник и методов обработки металла были изобретены китайцами, а уж затем все они были освоены европейцами. Речь идет, в частности, о выплавке чугуна, изобретении доменной печи или гидромолота. А вот лидерами в сфере ковки металлов и горнорудной добычи, как выяснили недавно исследователи, были древние римляне.
История развития металлургии в Африке, Юго-Восточной Азии и Австралии
Как развивалась металлургия в других регионах Земли? Известно, что во второй половине I тысячелетия до нашей эры на территории Юго-Восточной Азии уже активно применяли орудия труда из кричного железа. Вначале это были биметаллические изделия, а немного позже они изготавливались целиком из железа.
Население Древнего Китая тоже было знакомо с биметаллическими вещами. Для их производства применялось железо метеоритного происхождения. Первые сведения о подобных изделиях в Китае датируются VIII веком до н.э. А вот к середине первого тысячелетия до нашей эры в этой части света начинается производство настоящего железа. Именно китайцы первыми освоили технику получения чугуна, и сделали они это намного раньше, чем европейцы.
Африканский регион тоже внес свою значимую лепту в общемировой процесс развития металлургии. Именно в Африке изобрели цилиндрический горн для производства стали, который не был известен другим народам мира. Многие историки уверены, что африканцы научились производить железо абсолютно самостоятельно, без каких-либо влияний извне. Около 2600 лет назад железо уже появилось в ряде стран и территорий «черного континента»: в Судане, Ливии и Нубии. Отдельные африканские племена, как предполагают исследователи, и вовсе «перескочили» из каменного века – сразу в железный.
В общем и целом, производство железа в Африке было полностью освоено в пределах второй половины I тысячелетия до н.э. Любопытно, что производство меди здесь освоили даже немного позже. И если из меди на этом материке делали украшения, то из железа изготавливали исключительно орудия труда.
Что касается «южной земли» – материка Австралии, то здесь черная металлургия начала развиваться только в период Великих географических открытий (в XVI-XVII веках).
Особенности развития металлургии в Америке
Для Нового Света было характерным существование сразу нескольких центров ранней металлургии. Один из таких очагов находился в Андских горах, которые славятся богатыми рудными полезными ископаемыми. Первым металлом здесь стало золото. Кроме того, в Андах производили изделия из серебра. На территории современного государства Перу во второй половине II тысячелетия до н.э. был получен сплав серебра с медью – тумбага, который стал необычайно популярен в Южной Америке.
В Центральной Америке люди познакомились с металлом лишь в первом тысячелетии до нашей эры. Причем, его сюда привезли. Племена майя освоили ремесло получения металла только к VII столетию нашей эры. Однако к этому времени их цивилизация уже подходила к своему закату.
Первым металлом Северной Америки стала медь. Затем здесь научились делать железо (вначале метеоритное, а немного позже – кричное). Это случилось в первом тыс. до н.э., причем, западные районы континента в этой сфере развивались намного быстрее.
Изобретение сыродутного процесса
Один из самых древних способов получения железа называется сыродутным (от слов «дуть» и «сырой»). Печи рыли прямо в земле, как правило, на склонах рельефа. В небольшие горна с железорудной породой поступал (задувался) сырой (холодный) воздух. На ранних этапах освоения данного способа воздушная тяга была естественной, но позже ее заменили искусственной – воздух в печи стали нагнетать.
Дно печей засыпали углем, сверху слоями клали руду и уголь. Последний во время своего горения выделял окись углерода – газ, который выполнял функцию восстановления окислов железа. Стоит отметить, что при сыродутном способе железо не столько плавилось, сколько «варилось», так как этот процесс создавал температуру, недостаточную для плавки железа (около 1200 градусов по Цельсию). Исходя из этого, «вареное» железо в виде губчатой массы, напоминающей тесто, располагалось на дне печи. Эта масса, как правило, включала в себя многочисленные примеси и остатки угля (правда, в отдельных случаях шлаки отводили из печи по специальному желобу).
Чтобы производить из такого субстрата какие-либо изделия, приходилось вначале извлекать из крицы посторонние примеси. Делалось это при помощи ковки – холодной и горячей. В конечном итоге, можно было получить кричное железо для последующего использования.
«Изобретение» сыродутного метода железного производства, как предполагают историки, произошло при непосредственной выплавке свинца или меди. Как известно, этот процесс сопровождался добавлением в плавильные печи не только угля и соответствующей руды, но и гематитов. И именно по такому сценарию, скорее всего, и были получены человеком первые крицы железа. Вполне возможно, что печи по выплавке меди просто напросто плавно превратились в сыродутные печи.
Так сложилось, что получить медь или олово намного проще, нежели железо. Даже не смотря на то, что медные и оловянные руды в природе встречаются гораздо реже, чем железные. Именно поэтому сыродутный процесс оказался очень важным этапом в развитии черной металлургии. Эта технология постоянно улучшалась: с помощью усовершенствования дутья или увеличения размеров печей. Однако все эти улучшения не решали главную проблему: кричное железо практически не содержало в себе углерода, а значит, оно не могло конкурировать с бронзой. Вещи из него были недостаточно твердыми, в сравнении с изделиями из бронзы. Именно по этой причине железо в те времена использовалось в большей мере для изготовления украшений. В производстве железа просто необходимо было что-то менять.
Освоение технологии цементации и закалки железа
Следующий виток прогресса в развитии металлургического дела заключался в возникновении технологии так называемой «цементации», а также закалки и термического отпуска железа. С освоением этих трех процессов связано начало полноценного Железного века.
Под цементацией подразумевается процесс искусственного насыщения крицы углеродами. Эта технология была освоена человеком в первую очередь. Для цементации кричного железа использовались различные вещества. Вначале кричную массу прокаливали в костном угле, позже – в других веществах с большим содержанием углеродов. Освоение технологии цементации подарило человеку возможность получать первые, хоть и весьма примитивные, образцы стали.
«Цементированное» железо уже выигрывало в сравнении с бронзой по своей твердости. При этом степень насыщения крицы углеродами зависела от температуры нагревания железа.
Вслед за открытием техники цементации был обнаружен эффект закалки. Человек с удивлением для себя обнаружил, что насыщенное углеродами и охлажденное железо становится еще крепче. Для такого охлаждения использовалась вода, снег, либо железо просто оставляли на открытом холодном воздухе. Эффект был даже в последнем случае.
Оба вышеописанных процесса, вероятнее всего, были открыты человеком случайно. Вряд ли древние кузнецы могли объяснить истинную природу этих процессов. Об этом свидетельствуют и найденные письменные источники тех времен. В частности, в них можно отыскать весьма любопытные моменты. Так, факт усиления крепости железа при закалке часто объяснялось фантастическими или мистическими теориями. Например, в летописи из Малой Азии, датированной девятым веком до нашей эры можно найти колоритный способ закалки железа посредством «погружения кинжала» в тело «мускулистого раба». Именно сила раба, по мнению автора данного текста, делало металл более твердым. Не менее интересен и отдельный фрагмент, взятый из «Одиссеи» Гомера, где выжигание глаза циклопа сравнивается с погружением раскаленного железного тесака в ледяную воду. Причем, последнюю процедуру Гомер именует как «лечение топора». Исходя из этого, древние греки, вероятно, не понимали природу процесса закалки металла, но придавали ему особый, магический смысл.
Закаленная сталь имеет один существенный недостаток – это излишняя хрупкость. Существенно снизить ее позволило открытие технологии термического отпуска железа. Данная технология заключается в нагревании изделий до 727 градусов по Цельсию (это граничная температура деформации структуры железа).
Не стоит думать, что освоение технологий цементации, отпуска и закалки железа было одномоментным. На самом деле эти процессы длились около тысячи лет! Но именно открытие и совершенствование этих трех технологий раз и навсегда поставило жирную точку в непримиримой конкурентной борьбе между бронзой и железом.
Развитие металлургии в Средние Века
В эпоху Средневековья плавильные печи уже существенно преобразились. Во-первых, в высоту они достигали двух-трех метров. А во-вторых, они работали при помощи энергии воды: воздуходувы приводили в движение специальные трубы или большие водяные колеса.
В средневековой Европе были распространены так называемые «штукофены» – огромные и высокие печи, которые вывели черную металлургию на новый этап в ее развитии. Эти печи были оснащены 4-х метровой трубой для усиления тяги и водяными двигателями. Иногда мехи приводили в движении несколько рабочих. Железистую крицу извлекали из такой печи раз в сутки.
Любопытна история изобретения и проникновения штукофенов в Европу. Изобрели их в Индии еще в первом тысячелетии до н.э. Затем новое изобретение попало в соседний Китай, а оттуда, в VII веке уже нашей эры – в арабский мир. В XIII столетии арабы привезли эти чудо-печи на юг Пиренейского полуострова, откуда они быстро распространились по всей Европе.
По производительности и техническим параметрам штукофен был на голову выше своих предшественников – сыродутных печей. Температура плавки в нем достигалась более высокая, что давало возможность получать полноценный чугун. В сутки штукофен мог выдавать более двух центнеров железа. Правда, чугун из такой установки был, как правило, непригоден. Дело в том, что он оказывался на дне печи, смешиваясь со шлаками. Чтобы очистить его, требовалась ковка, которой чугун не поддавался. Других способов его очистки на то время еще не знали.
Все же, некоторые народы все-таки умудрялись находить применение даже такому, «грязному» чугуну. Индусы, например, изготавливали из него гробы для усопших. А вот в Османской империи из штукофенного чугуна делали ядра для пушечных орудий.
Изобретение печей нового типа – блауофенов
Средневековые металлурги установили важную закономерность: чем выше температура плавления руды в печи – чем больше продукта (железа) можно получить на выходе. После этого открытия они начали пытаться модернизировать свои штукофены: увеличивать высоту труб и налаживать систему предварительного нагрева воздуха. Так в XV веке в Европе появились печи нового вида – блауофены.
Однако модернизированные печи почти сразу же неприятно удивили металлургов. Выход конечного продукта действительно вырос, но вместе с этим, на 20 % повысилось и количество отходов – малопригодного чугуна. Грязное, или, как его еще называли – «свиное» железо так само застывало на дне новых печей. Смешанный со шлаками чугун, как и прежде, был абсолютно не пригоден для литья. Как правило, его пускали на производство кувалд, наковален и прочего грубого инвентаря. Правда, пушечные ядра из блауофенного чугуна выходили более качественными.
Еще один позитивный момент блауофенов – количество стали по краям железной крицы в этих печах существенно увеличилось. Разумеется, это порадовали металлургов. Однако, с другой стороны, отделить такую сталь от кричного железа было очень и очень сложно. И в этой ситуации разные народы пошли по разным путям, решая эту сложную проблему.
Возникновение доменных печей
До 1500 тонн качественного чугуна в день – такое средневековым металлургам даже не снилось. Но это стало обыденной суточной нормой при появлении доменных печей. Благодаря большим размерам, предварительному нагреву воздуха и системе механического дутья, такая печь способна была извлекать железо из рудной массы и превращать его в чугун. Последний при этом выходил наружу в расплавленном виде. Правда, ковка все равно была необходима. Но теперь шлаков было уже намного меньше в массе, а железа – больше. Еще одно достоинство доменной печи заключалось в непрерывности ее работы. Установка функционировала круглые сутки, не останавливаясь и не охлаждаясь.
В XVIII веке в европейской металлургии был открыт еще один процесс – пудлинговый. Он предполагал очищение чугуна в печи с помощью газа, получаемого при сгорании угля или другого минерального топлива. К слову, в Древнем Китае этим способом даже производили сталь еще в Х столетии. При такой технике очистки железистые частицы собирались в комочки. Затем они сваривались в кузнечной или в специальной прокатной машине, и из них получали различные железные заготовки. Пудлинговый метод позволил увеличить производительность железа до 140 кг в час.
Развитие металлургии в XIX и XX веках
Очередной скачок в процессе развития металлургического дела произошел в конце XIX века. В этот период, практически одновременно, в производство металла внедряются три абсолютно новых способа: мартеновский, томасовский и бессемеровский. Все эти методы увеличили объемы производства стали колоссально – до шести тонн в час.
Спустя полвека в металлургию внедряют еще более новые процессы. Это, в частности, непрерывная разливка стали и кислородное дутье. Продувание кислородом расплавленного металла в конверторных печах существенно ускорило скорость химических реакций.
История, как известно, движется по спирали. Это касается и истории промышленного производства. Тысячи лет назад человек строил в земле сыродутные печи и получал, с помощью одностадийного метода, качественное и устойчивое к коррозии железо с малым количеством примесей. И сегодня ученые вновь вернулись к технологии одностадийных процессов, развивая метод обогащения руды и производства стали в электропечах.