Мужской металл, часть 1

Железо.Настоящего кабана оно окружает повсюду. В виде любимого ножа, топора, дрели, охотничьего ружья, токарного станка, танка или подводного ракетного крейсера стратегического назначения. Кому как судьба уготовит. И чем больше у кабана железа, чем лучше он им владеет – тем больше им гордится семья и Родина.

Однако полноценное умение владеть с толком и понятием не может базироваться на слухах в курилке, интернет-байках и домыслах. То, из чего сделаны любимые кабаньи игрушки, мы должны знать как можно лучше! Этим и займемся…

Когда-то, 7-8 миллиардов лет назад, в нашей молодой Галактике (которая тогда выглядела совсем иначе) одна за другой взрывались многочисленные Сверхновые. Массивные, в 8-10 раз тяжелее нашего Солнца, горячие гиганты стремительно жгли водород, из которого состояли. Термоядерная реакция преобразования водорода в гелий высвобождала энергию, гигантская звезда светила ярким голубым светом.

Более тяжелый гелий накапливался в центре голубых сверхгигантов, все больше и больше. Достигнув определенной плотности, он давал старт новой термоядерной реакции, приводившей к образованию из гелия легких металлов, углерода, кислорода, которые в свою очередь накапливались в центре. С ростом давления и температуры в работу включались и они, выделяя больше и больше энергии. Звезда раздувалась, превращаясь в красный сверхгигант. И так в ядре звезды образовывались всё более тяжелые элементы, вплоть до железа. Уникального элемента. Ядра всех элементов, которые легче железа, при хорошем нагреве и давлении можно заставить сливаться с образованием более тяжелых и с высвобождением энергии, которая будет поддерживать этот процесс. Ядравсех элементов тяжелее железа могут распадаться с образованием более легких ядер и выделять при этом энергию. И только железо для распада или синтеза требует огромной внешней энергии (которой нет даже в центре звезды), ничего не отдавая взамен.

В результате, за 50-100 млн. лет (сверхгиганты живут недолго) в центре звезды образуется железное ядро (с которым ничего не происходит), на периферии которого «догорают» остатки кремния, кислорода, углерода, гелия, водорода и других элементов, легче железа.

Звезда остывает, силы газового давления не могут уже преодолеть силу тяжести, и гигант схлопывается сам в себя, высвобождая колоссальную энергию, которая в миллионные доли секунды синтезирует из части железного ядра все вообще элементы таблицы Менделеева, до урана включительно.

Взрыв звезды, ставшей Сверхновой, разбрасывает их в разные стороны. Вспышка, благодаря которой железо разлетается по окрестностям, затмевает совокупный свет всех 200 млрд. звезд в Галактике! Для иногалактического астронома, обхватившего своими 15-ю щупальцами телескоп, на короткое время тусклая туманность далекого Млечного Пути сменяется яркой точкой Сверхновой.

Разлетевшаяся звездная пыль собирается в новые звезды и планеты, получающие в наследство тяжелые элементы, включая железо. Так железо попало и к нам.

Историю человечества можно представить как историю развития технологий обработки разных материалов. Более того, смена исторических эпох напрямую связана с достижениями в этом деле.

Два с половиной миллиона лет назад наших прямоходящих предков перестали удовлетворять рабочие свойства подобранной в лесу палки и булыжника. И они заметили, что расколотый молнией или от падения с высоты камень можно использовать намного эффективнее. Тут же они научились откалывать от камней куски и придавать им удобную форму. Любимым камнем человека стал кремень. Кремень при специально направленных ударах способен не раскалываться на куски, а давать тонкие острые отщепы. Оббив камень с разных сторон, человек получал ручное зубило или топор, а отщепы использовал для резки мяса.

К моменту, когда люди впервые расплавили металл (вероятно, это было золото), производство каменных инструментов достигло небывалых высот и стало настоящей индустрией. Удивительным техническим достижением людей позднего каменного века (неолита) стала добыча кремня в настоящих шахтах с глубиной вертикального ствола более 10 метров и с короткими горизонтальными штреками (ходами).

К этому времени человек уже уверенно различал такие минералы, как яшма, обсидиан, нефрит и умело использовал свойства каждого из них для наиболее подходящих по назначению инструментов, научился шлифовать каменные орудия и сверлить в них дырки.

Первыми металлами, которыми около 40 тысяч лет назад овладел человек, стали те, которые он мог найти в самородном состоянии. Это золото, медь, серебро. И для их механической обработки он уже имел все необходимые навыки. С железом было труднее.

Чтоб перейти к металлургическому производству железа, надо было знать минералы, которые его содержат. Для того, чтобы древний человек обратил на них внимание, они должны были быть заметными как своеобразным внешним видом, так и свойствами. И железосодержащие минералы, безусловно, обладают этими качествами!

Вот некоторые из них…

Гётит

Этот минерал получил свое название в честь натуралиста и знатока минералов Иоганна Вольфганга фон Гёте (того самого, с «Фаустом» наперевес). Двухвалентное железо вымывается дождями из горных пород, окисляется до трехвалентного и осаждается в виде гидроксида железа – гётита, на дне рек и болот.

О добыче этого минерала прекрасно сказано в моем любимом карело-финском эпосе «Калевала»:

Так в болоте под водою
Распростерлося железо.
Для себя защиты ищет
В зыбях топких и болотах,
И в протоках быстротечных.
Из болот железо взяли,
Там на дне его отрыли,
Принесли его к горнилу.

Гематит

Прежде своего прямого металлургического назначения он использовался для приготовления минеральных красок. Все известные человечеству наскальные фрески каменного века с изображением раненных бизонов, бегущих оленей и сношающихся мамонтов написаны красными и коричневыми оксидами и гидроксидами железа. Порошок растертого в пыль гематита «крокус» с античности и по сей день используется для полировки ювелирных изделий.

Да и сам он был и остается ювелирным камнем, поскольку допускает глубокую резьбу по своей поверхности. Древние греки обожали делать из него печати, резины-то не было :)

Сидерит

Наверное, самый невзрачный среди других руд, зато встречается в огромных количествах. Природой из него сложены целые горы. Красные ручьи, стекающие с таких гор и холмов, не могли остаться незамеченными. Есть такие ручьи и у нас в Ленобласти, сам наблюдал. Очень красиво, глаз не оторвать.

Пирит

Сульфид железа. Удар по нему вызывает мощный сноп искр, отсюда и греческое название «пирит» – огонь, огнеподобный.

Служил идеальным кресалом для добывания огня. В природе пирит широко распространен и очень заметен, благодаря золотистому цвету. Из полированного пирита древние инки делали прекрасные зеркала.

Пирит обладает интересным свойством замещать собой органические останки. При этом образуются эффектные окаменелости, до мельчайших деталей (иногда до клеточной структуры) повторяющие исходную органику – пиритизированные раковины, куски окаменелой древесины, ископаемые животные.

Процесс замещения в грунте с подходящей химической средой идет очень быстро, по геологическим масштабам – мгновенно. В XIII веке в глубокую (130 метров) шахту Фалунского рудника (это в Швеции) упал рабочий. Через 60 лет подняли каменное тело, получившее известность как «Фалунский золотой человек» – труп, полностью замещенный пиритом и прекрасно сохранивший внешний облик человека.

Магнетит

По легенде, минерал был назван в честь греческого пастуха Магнеса, который пас овец и неожиданно его посох с железным наконечником притянулся к серой куче камней.

Это уникальное свойство среди минералов. Аристотель посвятил ему целое сочинение, римляне Лукреций и Клавдиан описывали в стихах. Знаменитый Фалес Милетский подробно занимался изучением магнетита.

Таким образом, человечество никак не могло пройти мимо железосодержащих минералов, и открытие способа выплавки железа было лишь вопросом времени.

Вспомните себя подростками. Вы нашли какую-то привлекательную неведомую хуйню. Какое первое побуждение? Бросить в костер и посмотреть! :) Обычный костер, в котором жарили мяско, давал температуру 600-700 градусов. Гончарное дело (обжиг) требовало температуры 800-950 градусов, что обеспечивалось естественным (ветер) или принудительным (размахивание куском кожи, а чуть позже с помощью специальных устройств – мехов) поддувом. И эта температура успешно была освоена в период «неолитической революции» 10-6 тыс. лет назад. Попавшие в гончарный горн куски руды (напр. в виде обкладки горна камнями) в присутствии древесного угля уже могли начинать реакцию восстановления железа. Непонятные выделения на «камнях» явно навели человека на мысль. Древние были очень наблюдательны.

Конструкция гончарного горна проста, как мычание, и почти не изменилась за последние 5 тысяч лет. Во многих маленьких кустарных мастерских, выпускающих сегодня сувенирные горшки-кувшины, горн именно такой.

Задолго до того, как люди научились получать железо из минералов, им было известно метеоритное железо. Намного более тяжелые, по сравнению с другими камнями, и имеющие необычную поверхность предметы привлекали внимание. Довольно быстро люди научились откалывать куски (при прохождении атмосферы и без того неоднородный железный метеорит раскалялся-охлаждался, в нем образовывались трещины) и посредством буцканья гладким камнем превращать их в ножи и другие предметы. Огромная трудоемкость процесса холодной ковки и редкость железных метеоритов превращала изделия в сакральные артефакты.

Как только железо стало доступно, оно тут же превратилось в двигатель цивилизаций. В XV-XIII в. до н.э. хетты (судя по клинописным текстам) уже различали «небесное железо», «черное железо» (видимо, кричное), «хорошее железо» (сталь?), «железо очага» (видимо, тигельное).

Предметы из железа и стали также сохранились.

В VI-V в. до н.э. у этрусков уже были шахты, тоннели, конусообразные плавильни. Археологи нашли гигантские кучи металлургических шлаков. В период своего двухсотлетнего расцвета этруски выработали около полумиллиона тонн железа.

Завоеванная Римом Этрурия оставалась важным металлургическим регионом Империи.

Потрясающих успехов в добыче и металлообработке в V-III в. до н.э. достигли кельты. Их сыродутные горны (о них ниже расскажу) давали температуру уже до 1400 градусов, что подтверждается как практическими экспериментами, так и тем фактом, что кельты – единственные из европейских античных народов умели делать браслеты из плавленого стекла, не имеющие швов. Также они овладели методом кузнечной сварки, наваривая стальные лезвия на железные клинки.

Получение науглероженного железа (стали) было крайне трудоемким процессом. Путей было несколько.

1. Науглероживание в слое угля (нагрев и выдержка 3-6 часов в угле).
2. Применение органических обвязок (железку обвязывали кожаными ремнями с прослойками дробленой кости и нагревали).

Эти способы позволяли науглеродить железо на небольшую (2–5 мм) глубину, да еще неравномерно, т.к. само железо было неравномерно по составу. Для получения качественных высокоуглеродистых сталей применяли хитрые способы.

Науглероженный брусок кельты закапывали или бросали в болото. Через пару месяцев доставали. В первую очередь ржавели и исчезали слабонауглероженные и загрязненные примесями места. Получившийся дырявый «сыр» проковывали, выравнивая химический состав.

Также применялся метод измельчения науглероженного железа и скармливания его домашней птице. Пройдя агрессивную среду пищеварительного тракта, на выходе получались только высокоуглеродистые частицы. Которые потом спекались и проковывались (привет порошковой металлургии XXI века!).

Понятно, этими способами получали сталь, которая шла только на самые пафосные мечи и ножи.

В Римской Империи железное дело углубили, расширили и поставили на поток. Горнодобывающие шахты римлян уходили на 100 метров вглубь планеты. Согласно Плинию, на рудниках Нового Карфагена и Рио-Тинто работали десятки тысяч человек. Римляне первыми стали использовать на рудниках огромные водооткачивающие машины, располагавшиеся каскадами и приводившиеся в движение гидротурбиной. Эти машины не давали шахтам затопляться грунтовыми водами.

Широко применялось разделение труда. Это позволило добиться небывалых объемов добычи и переработки железа.

Однако лучшим железом в Риме все же считалось кельтское (из областей совр. Швейцарии), парфянское (современный Иран) и индийское.

Римские мастера обратили внимание на то, что при одинаковой обработке изделия из железа разных регионов имеют разные свойства. Это было обусловлено различным составом природных легирующих примесей, но даже не зная об этом, римляне, тем не менее, успешно разделили железо по назначениям: металл из Арретиума шел на шлемы, из Конкордии – на стрелы, из Норика – на длинные мечи-спаты для кавалерии и на «иберийские» мечи-гладиусы для легионеров.

Самые ответственные операции (наварка стальных лезвий на железную основу и сборка мечей) производились в самой метрополии, недалеко от Рима в городе Луке.

Изобретение гладиуса римляне приписывали Публию Корнелию Сципиону Африканскому Старшему, который реформировал армию после ряда поражений в ходе 2-й Пунической войны. Однако в технологии изготовления гладиуса явно видны кельтские корни. Тем не менее, несомненной заслугой Сципиона является организация массового производства такого сложного изделия, как меч «гладиус».

Как же все-таки древние получали железо и сталь?

До того, как люди занялись железом, они развлекались с более доступными металлами. Самородное золото или медь даже огня не требовало, для изготовления простейших орудий его достаточно было просто отбуцкать на гладкой каменной наковальне.

Для более сложных изделий самородки расплавляли в горшках и отливали в формы. Эта задача облегчалась примесями, содержащимися в металле. Чистую медь расплавить непросто, нужна температура более 1350 градусов, однако содержащиеся в природной меди примеси понижают температуру плавления очень сильно, до 930-1000 градусов, а это уже вполне по силам гончарному горну для обжига всяких там кувшинов.

Горшок с кусками металла помещали в ямку, обкладывали дровами, углем и жгли. Точно так же поступали и с медными рудами, когда самородки перестали валяться под ногами.

Однако с наскоку применить тот же метод для получения железа не было никакой возможности.

Во-первых, для химической реакции восстановления железа из оксидов требовалось намного больше угля, чем при выплавке меди или золота (где уголь выступал только в роли источника тепла).

Во-вторых, для отделения железа от пустой породы как минимум один из компонентов руды должен был быть расплавлен. В данном случае – расплавить надо было шлак, главным компонентом которого является минерал фаялит.

Минимальная температура для этого – 1200 градусов. Поэтому требовалось обеспечить мощный принудительный или естественный поддув воздуха. Температуру плавления шлака удавалось немного снизить специальными добавками-флюсами. Как правило, это была смесь костной золы и минерала доломита.

Самым древним способом выплавки был тигельный. Этим способом получали не железо, а сразу сталь. Выглядело это так.

Сначала изготавливался огнеупорный горшок (в металлургии его называют тигель). Для этого брали матерчатый мешочек с песком и обмазывали его смесью песка с глиной. После высыхания глины мешочек развязывали, песок высыпался, и ткань вытаскивали.

Получался керамический сосуд с толщиной стенок 2-4 см и размером с пивную кружку.

Тигель обжигали привычным гончарным способом, после чего он становился огнеупорным и выдерживал температуру до 1600 градусов. Также для него делали плотную керамическую крышку с отверстием для выхода газов.

То, что засовывают в тигель, называется шихта. Она состояла из кусочков руды, древесного угля и флюса.

Несколько тиглей помещали в печь. Конструкция печи и процесс плавки показаны на рисунке:

В земле выкапывали ямку, дно и стенки которой выкладывали кирпичами. При помощи глиняной трубки организовывали принудительную подачу воздуха в печь. Тигель располагали на кирпичной подставке, чтоб пламенное дутьё не било прямо в его стенки и не разрушало тигель местными перегревами. Свободное пространство между тиглем и стенками засыпали топливом – углем, куски которого измельчали до размера грецкого ореха. Накрывали печь кирпичной крышкой с отверстием для выхода газов и засыпали всю печь землей или песком для термоизоляции.

Крышку делали так, чтоб можно было менять ширину отверстия в ней для регулирования процесса горения, сдвигая или раздвигая кирпичи, и частично снимать ее для подсыпки свежих порций угля.

Процесс превращения шихты в слиток стали внутри тигля происходил так…

При нагреве шихты углерод (из которого и состоит уголь) взаимодействовал с железом, содержащимся в кусках руды. Получившееся соединение железа с углеродом (сталь) имело значительно меньшую температуру плавления, чем чистое железо (которое плавится при недостижимых в древности 1535 градусах). Также расплавлялся и легкоплавкий флюс (доломит + костная зола +песок).

Более легкий по весу флюс поднимался вместе с расплавленной пустой породой вверх, а капли постепенно образующейся стали стекали вниз, взаимодействуя с флюсом максимально полно (флюс и капли стали двигались навстречу друг другу через всю высоту тигля).

Флюс забирал из металла все вредные примеси (серу, кислород, фосфор) и выносил их наверх, связывая в слое шлака.

При достаточно большом времени выдержки при температуре не меньше 1200 градусов в итоге получался слиток стали.

При еще более длительном процессе варки (или при вторичной переплавке получившегося слитка) и более высокой температуре (1400 и более градусов) мог получиться тот самый легендарный булат. Однако выплавку булата ограничивала высокая топливозатратность процесса и отсутствие во многих регионах непременного условия – очень чистой изначально по примесям железной руды. Кроме того, после выплавки слитка для превращения его в булат требовался длительный (60-80 часов) отжиг при небольшой температуре (600-650 градусов) в ямах с тлеющим хворостом и непрерывном контроле. Так что получение булата стало возможным только в Средневековье и только в некоторых регионах, имевших залежи особо чистой руды.

В основном же тигельным способом получали довольно посредственную, по современным меркам, сталь, которая, тем не менее, на голову превосходила по рабочим характеристикам наиболее распространенный в то время металл – бронзу.

Цельностальные клинки древности (даже не будучи булатными) настолько превосходили более поздние античные железные мечи с наваренной стальной кромкой, что легенды о них переходили из поколения в поколение.

Вот одна из современных реконструкций печи для тигельной плавки:

Энергозатратность тигельной плавки была большой, а выход металла – более чем скромным. Малая мощность воздуходувных устройств не позволяла прогреть большой объем топлива, в свою очередь это ограничивало размер печки и объем тиглей. За одну плавку в печи с 1–4 тиглями удавалось получить не больше 3–4 кг стали. С каждого тигля получался слиток массой 0.7–1 кг, этого вполне хватало на меч.

Кроме того, как я уже говорил, основным компонентом шлака был фаялит, поэтому потери железа, которое выносилось со шлаком, достигали 80% от загруженного в тигель.

Удивительно, но самый древний способ производства стали по сей день не забыт. Энергозатратность и малая продуктивность тигельной плавки вытеснили ее из промышленного производства, однако необычайная чистота и точная предсказуемость химсостава получаемой стали, которую в принципе может дать тигельная плавка, делает метод востребованным в узкоспециальных производствах и в исследовательских целях. Возрождение народного интереса к булату также способствует тому, что тигельная сталь была, есть и будет.

Если тигельная печь представляет собой всего лишь модификацию печей бронзового века для выплавки меди, то сыродутный горнстал первым металлургическим агрегатом, специально предназначенным для получения железа из руд.

Сыродутный – потому что воздух в горн подавался прямо из атмосферы, без предварительного подогрева. Подогревать воздух начали только в XIX в., с началом применения паровых машин для привода воздуходувок, вот тогда и стали все печи более примитивной конструкции называть сыродутными.

Мощность ручных устройств для нагнетания воздуха – мехов (ближайший современный аналог – ножной автомобильный насос для накачки шин) в античности и раннем Средневековье все еще не могла идти ни в какое сравнение с силой ветра. И тут Скандинавия и Альпы предоставляли металлургам необходимые возможности. Скандинавские фьорды – это царство ветров. Каждый глубоко врезающийся в побережье залив, каждый пролив между многочисленными островами превращается в подобие аэродинамической трубы. Постоянными сильными ветрами отличается и Альпийский регион, особенно его древнейшая металлургическая провинция – Штирия. Таким образом, античный и раннесредневековый металлург должен был быть специалистом-«ландшафтоведом», т.е. должен был уметь подобно моряку, управляющему кораблем, «поймать ветер», чтобы извлечь железо из руды.

По данным археологии, первые сыродутные горны появились за 2 тысячи лет до н.э., а повсеместное распространение они получили в латенском периоде железного века, то есть в V-I вв. до н.э.

В основании такого горна по-прежнему находилась ямка, обмазанная огнеупорной глиной или выложенная кирпичом. Для увеличения объемов производства, а главное – для повышения эффективности естественного поддува над ямой делалась надстройка из жердей, густо обмазанных со всех сторон той же глиной, высотой около полутора метров.

С наветренной стороны делали 1-5 отверстий, в каждое из которых встраивалась керамическая сужающаяся воронка – фурма. С обратной стороны, ниже уровня фурмы, делалось отверстие для выхода шлака.

Перед началом плавки производили обжиг горна, который заключался в прогреве конструкции путем сжигания внутри дров и некоторого количества древесного угля. После этого печь наполовину загружали порцией древесного угля, перемешанного с небольшим количеством железной руды. В результате плавления этой первой, или «задувочной», шихты стенки нижней части печи покрывались своеобразным защитным слоем — гарнисажем. Только после такой длительной подготовки агрегата переходили собственно к процессу плавки.

Руда, состоящая из гидроксидов и карбонатов железа, при нагреве выделяет большое количество газов, которые мешают процессу. Поэтому руду сначала складывали в кучи с дровами, разводили костры и в течение суток прокаливали, чтоб все газы вышли. Затем ее измельчали до размера грецкого ореха и смешивали с кусками древесного угля, составляя шихту. Шихту готовили очень тщательно. Оба компонента шихты (руду и уголь) отделяли от мелких частиц и пыли вручную, потому как эти мелкие фракции забивают промежутки между кусками шихты и не дают свободно проходить воздуху. Печь на треть заполняли древесным углем, а затем загрузку шихты и угля производили последовательно горизонтальными слоями толщиной не более 10–12 см.

Воспламенение угля осуществляли через канал для выпуска шлака. Туда засовывали хворост и раздували ручными мехами, при этом фурма закрывалась от ветра. Когда хворост разгорался, фурму открывали, и подача большого количества кислорода приводила к зажиганию угля.

По мере выгорания угля и образования жидкого шлака, частички восстановленного железа проваливались вниз, где температура доходила до 1200–1300 градусов и сваривались там друг с другом. В результате образовывалась крица – пористый кусок железа, массой 2–6 кг.

На верху печи температура отходящих газов, состоящих, в основном, из СО и азота, составляла 600-700 градусов. Поэтому отходящий газ при взаимодействии с кислородом воздуха воспламенялся и непрерывно горел в течение всей плавки. В пламени над горном угарный газ (CO) окислялся до безвредного углекислого. По цвету столба пламени над печью судили о ходе процесса. Когда пламя становилось белым (что говорило о начале окисления железа крицы), плавку прекращали. По окончании плавки для извлечения крицы проламывали стенку со стороны фурмы. Горячую крицу, напоминавшую толстый мягкий блин, вытаскивали клещами. Крица содержала большое количество включений шлака и непрогоревшего угля, поэтому ее тут же, не отходя от кассы, хорошенько оббивали деревянными молотами, выдавливая все постороннее.

Перед каждой последующей плавкой переднюю стенку заделывали опять и изготавливали новую фурму (старая все равно во время плавки приходила в негодность).

И в Скандинавии, и в Альпах в VII–VIII вв. начали строить сыродутные горны высотой больше человеческого роста, причем увеличение высоты агрегата происходило очень интенсивно, и к XI веку, к концу эпохи викингов, высота печей достигла 5 метров. Такие печи возводили уже не из жердей, обмазанных глиной. Основой был либо деревянный сруб, либо кирпичная кладка. Усовершенствованные печи в Скандинавии назывались «осмундскими» (от «осмунд» – крица), а в Альпийском регионе высокие сыродутные горны получили название «штюкофены» (от немецких слов «штюк» — крица и «офен» – печь). В высоких горнах за сутки, с учетом постоянного ремонта печи, успевали произвести 2–4 крицы массой по 25–40 кг.

Изначальное стремление к повышению производительности печи и желанию загрузить побольше шихты дало побочный эффект, который неожиданно превзошел первоначальные ожидания средневековых мастеров. Дело в том, что с увеличением высоты горнов в них стали существенно улучшаться условия теплообмена между опускающимися сверху железорудными материалами и поднимающимся снизу, от фурм, восстановительным газом (оксидом углерода). Можно сказать, что в печи появилось «дополнительное» тепло, высокий горн вплотную приблизился к шахтному способу выплавки. В результате начали более полно проходить как реакции восстановления железа из оксидов, так и науглероживания свежевосстановленного железа. Таким образом, получаемая крица стала более равномерной по химическому составу, в ней повысилось содержание железа (выход железа достиг 60-70% от загруженного с рудой), а само железо стало более насыщенным углеродом.

Штюкофены и осмундские печи обеспечивали самый высокий температурный уровень термических процессов раннего Средневековья, это вызывало удивление и страх современников. Монахи-летописцы испытывали настоящий ужас при виде раскаленного добела металла. Температура продуктов плавки (крицы и шлака) в высоких горнах гарантированно достигала 1400 градусов, но условия науглероживания металла в печах все же еще не позволяли получать в них чугун. Нужен был еще один шаг, еще некоторое увеличение высоты агрегата, чтобы получить новое качество и новый продукт прогресса, а именно высокоуглеродистый сплав – чугун. Этот шаг был сделан после появления печей шахтного типа – «домниц» (русское название) или «блауофенов» (немецкий термин) в начале XIV в.

Для полноты картины необходимо рассказать об еще одном способе получения железа, который появился на юго-западе Европы в X–XI вв. Это каталонский горн.

Каталонские горны появились сначала в испанских, а затем и во французских Пиренеях. Современники выделяли три модификации этих агрегатов: собственно каталонский горн – самый крупный по размерам и производительности, а также наваррский и бискайский горны несколько меньших размеров. Объем рабочего пространства пиренейских горнов составлял всего лишь 0,3 – 0,9 кубических метров, что в 5–10 раз меньше объема штюкофенов. И, тем не менее, они не уступали своим высоким «собратьям» в производительности.

На каждом железоделательном заводе устраивалось не менее 10 каталонских горнов. Они располагались вдоль одной общей стены, которая строилась со стороны реки, где устраивались водоналивные колеса, приводящие в действие дутьевые мехи. Эта стена называлась «заводской». К ней примыкали «фурменная» и «противофурменная» стены. В фурменной стене под углом около 40 градусов к уровню земли устанавливалась коническая, слегка сплюснутая фурма из красной меди длиной около 20 и диаметром 50–70 см. Противофурменная стена устанавливалась со значительным наклоном наружу и выполнялась с изогнутым сводом. В лицевой стене предусматривались отверстия выпуска шлака, а также специальное устройство для установки «шесточной» железной доски, которая меняла угол наклона для регулирования загрузки в горн шихтовых материалов (см. рисунок ниже).

С особой ответственностью строили дно горна. Его выполняли из цельного огнеупорного камня (гранита, песчаника или слюдяного сланца). Верхнюю сторону камня тщательно обрабатывали, добиваясь, чтобы она была гладкой и немного вогнутой. Камни служили от 3 месяцев до полугода. Под камнем на старом мельничном жернове устраивалась «постель» из дробленого шлака и глины. Трубы над горном не было: выходом для образующихся газов служило отверстие в крыше заводского помещения.

Перед началом процесса горн тщательно чистили от остатков предыдущей плавки, затем засыпали древесный уголь до уровня фурмы и уплотняли его. На плотную «постель» древесного угля насыпали кусковую руду, располагая ее по противофурменной стене. Дополнительные порции древесного угля размещали около фурменной стены.

В ходе плавки, по мере выгорания угля и плавления руды, в горн вводили их новые порции, причем отсутствие жестких требований к газодинамическим параметрам шихтовых материалов позволяло использовать руду мелких фракций. Из рудной пыли делали смоченные водой комки, которые и загружали в горн. Периодически из горна выпускали шлак, пробивая специально предусмотренные для этого отверстия.

Сигналом к окончанию процесса служил белый цвет пламени, который указывал на начало окисления железа крицы. Обычная длительность плавки достигала 5–6 часов. Таким образом, за сутки успевали произвести 3–4 крицы массой 100–150 кг. После прекращения подачи дутья с крицы сгребали покрывающие ее шихтовые материалы. Действуя ломами как рычагами, крицу вынимали из горна по пологой выгнутой противофурменной стене. В эпоху позднего Средневековья при нормальном ходе процесса извлечение железа из руды в крицу достигало 60–70% при расходе древесного угля 3–3,5 кг на 1 кг крицы. Получалась низкоуглеродистая сталь (менее 0,5% углерода). Содержание оксида железа в шлаке было существенно ниже, чем при применении обычных сыродутных горнов: оно составляло 35–40%. Каждый каталонский горн обслуживался бригадой из 8 человек. В состав бригады входили мастер, его помощник, следивший за работой воздуходувной техники, два плавильщика, обеспечивавшие процесс производства крицы, молотовой мастер с помощником, рабочий, готовивший шихтовые материалы к плавке, и весовщик, осуществлявший контроль за хранением, расходованием материалов и ведавший учетом готовой продукции. Несмотря на кажущуюся простоту конструкции, каталонские горны находились в эксплуатации и после появления доменных печей, с которыми они конкурировали в Испании вплоть до середины XIX в. Секрет долгожительства каталонских горнов объясняется применением для их обслуживания начиная с XVII в. мощных водотрубных воздуходувок, или так называемых «тромп». Тромпа была изобретена итальянским инженером Джанбатиста делла Портой, и обеспечивала не только интенсивную, но и равномерную подачу дутья в металлургический агрегат. Таким образом, Джанбатиста делла Порто открыл и применил на практике процесс эжекции (подсоса) газов быстродвижущейся струей воды или пара, который сегодня применяется на тепло- и атомных электростанциях. Выглядел каталонский горн с тромпой вот так:

После предварительной очистки от шлака, крица поступала в кузницу. Для того, чтоб получить из железа или стали изделие, металл нагревали и проковывали. Важнейшим индикатором процесса служили цвета нагрева металла. Недогрев, как и перегрев, при ковке приводили к порче (перегрев – к неустранимой) изделия.

Упомяну также, что уже в глубокой древности (до начала использования человеком железа) были освоены операции волочения проволоки, путем протяжки ее через ряд постепенно сужающихся отверстий.

В V–IV в. до н.э. была освоена кузнечная сварка стали и железа. К VI веку вовсю делали сварочный дамаск и литой булат, продавая его как в виде готовых изделий, так и в слитках. К этому времени люди уже вполне владели и термической обработкой стали (отжиг, закалка, отпуск), отчетливо представляли себе ее виды для различных по содержанию углерода сталей. Но об этом позже.