реферат. Железо. История железа
 Скачать 83.77 Kb.
|
ГЛАВА 2. МЕТАЛЛУРГИЯ В ДРЕВНОСТИПервое железо, попавшее в руки человека, было не земного, а космического происхождения: железо входило в состав метеоритов, падающих на Землю. Поэтому шумеры называли его «небесной медью», а древние копты — «небесным камнем». В эпоху первых династий Ур в Месопотамии железо именовали ан-бар (небесное железо). Египтяне всегда изображали железные предметы синими — цвета неба. В папирусе Эберса (ранее 1500 г. до н. э.) о нем говорится как о металле небесного изготовления. 2.1 Хеттское государство – родина железа.Небывалое могущество ассирийского царства в 900– 600 гг. до н.э. опиралось на технологии извлечения (экстракции) металлов из руд и металлообработки, перенятые им у соседней державы хеттов. Появление металлургии железа изначально происходило не в одном, а в нескольких регионах. Чаще всего называются два таких региона: Малая Азия (конкретно Анатолийское плоскогорье), и предгорья Гималаев в истоках Инда Азиатская часть современной Турции (называемая также Малой Азией) – полуостров Анатолия – с древнейших времен была связующим звеном, соединявшим Азию с Европой. Решающую роль в экономическом и культурном развитии Анатолии играли ее природные богатства. В недрах полуострова находились богатейшие и относительно легкодоступные месторождения металлов, что сыграло огромную роль в экономической и политической истории обществ, формировавшихся с начала бронзового века в различных районах Малой Азии. В периоды энеолита и раннего бронзового века значительных успехов в экономическом и культурном развитии добилась Центральная Малая Азия, на что указывают датируемые VI–V тыс. до н.э. археологические материалы, обнаруженные на городищах Аладжа-Хююка, Алишар-Хююка, Хороз-тепе, Кюль-тепе. Именно при раскопках Аладжа-Хююка были обнаружены считающаяся в настоящее древнейшими (датируемые некоторыми специалистами VI тыс. до н.э.) предметы из железа рудного происхождения – небольшие крицы, произведенные, по-видимому, тигельным способом. К концу III тыс. до н.э. на большую часть анатолийского полуострова распространилось название «страна хатти», хотя в действительности племен, населявших Малую Азию было много больше. производство и применение железа являются исключительной особенностью производственной культуры хеттского общества, что подтверждается данными хеттских клинописных текстов, датируемых XV–XIII вв. до н.э. Существовали разные виды метеоритного и земного, рудничного железа («железо» и «небесное железо», «чёрное железо», «хорошее железо», «железо очага»). По обработке «хорошего железа» (видимо, стали). В большом количестве изготовлялись из железа ларцы, кинжалы, ножи и их лезвия (клинки), постаменты для статуэток божеств, сами статуэтки, предметы культоворитуального назначения и т.д. В хеттских текстах упоминаются железные статуи богов и животных, но все эти предметы носили особый характер: они посвящались храмам либо предназначались в подарок царям. В хеттских текстах упоминаются кузнецы по железу («железоделатели»), сопоставляемые с кузнецами по золоту, серебру и меди. По-видимому, железоделательная техника была освоена в хеттский период лишь несколькими искусными мастерами, которые могли назначать высокую цену за свои изделия. 2.2 Металлургия Этруссков После падения хеттского государства распространение знаний о металлургии железа не только не ослабевает, но, наоборот, приобретает новый импульс. По-видимому, от хеттского племени получили знания о металлургии железа древние греки. Народом же, который явился прямым наследником хеттских металлургических традиций многими историками признаются расены, как они называли себя сами, или этруски, как их называли римляне. К 600 г. до н.э. этруски распространили свое влияние на территорию всей Северной и Центральной Италии. Этрусская металлургия базировалась на трех крупнейших для того времени полиметаллических месторождениях: на севере металлоносные рудники располагались в районе Сиены, на юге – в горах Толфа у Чивитавекья. Главным же районом добычи руд, прежде всего железных, был остров Ильва (современная Эльба). Греки называли этот остров Эталия – «Дымный» – из-за сильного дыма от множества плавильных печей. Историк Диодор Сикул сообщает, что издали вместо острова виднелась лишь «густая пелена дыма». Этрурия контролировала самые значительные запасы меди, драгоценных металлов и, возможно, олова в центральном районе Средиземноморья. Археологи обнаружили на земле этрусков шахты, тоннели, конусообразные плавильни и гигантские кучи шлака. Шахты оказались настолько богатыми, что их стали снова эксплуатировать во время II Мировой войны для нужд итальянской военной промышленности. Итальянские исследователи подсчитали, что за период своего двухсотлетнего расцвета (VI–V вв. до н.э.) этруски выработали, по крайней мере, полмиллиона тонн железа. Необходимо отметить, что добываемая на Ильве руда представляла собой минерал сидерит. При его термообработке выделялось большое количество углекислого газа, что затрудняло ход плавки. Поэтому процесс проводили в две стадии: сначала руду обжигали в открытых печах простой конструкции, а потом собственно плавили в сыродутных горнах для получения кричного железа. Такая обработка руды требовала боль- 94 ших затрат древесного угля и леса на острове были быстро вырублены. После этого производство железа было перенесено на материк – в основном в район Популонии, Ветулонии и Волатерр. Кроме того, мастерские по производству изделий из железа обнаружены археологами в Путеоле, Капуе, Ноле, Суессе, Марцаботто. 2.3 Металлургия Кельтов Происхождение кельтов, также как и происхождение хеттов и этрусков – других народов, создавших выдающиеся технократические цивилизации Древнего Мира, неизвестно. Учёные выдвигают различные версии их движения к центру Европы, где они поселились, по-видимому, около 1200–1000 гг. до н.э. В это время они занимали территорию восточной Франции, Швейцарии, юго-западной Германии, Австрии и Чехии Достижения кельтов заключались в развития металлургического производства, дававшего орудия труда для всех остальных отраслей хозяйства. Особенно интенсивно кельтские соляные копьи, медные и железные рудники, железоплавильные мастерские и кузницы исследовались в последние 50–60 лет. Благодаря консервирующим свойствам соли в шахтах найдено большое количество хорошо сохранившихся орудий труда: железные и бронзовые кирки, топоры, долота, а также остатки одежд из кожи животных. Раскопки в местах рудных месторождений показали, что извлечённую из шахт руду измельчали на специальных каменных плитах при помощи больших каменных молотов. Дальнейшая переработка руды велась в обжигательных и плавильных печах. Одним из центров железного производства был город, располагавшийся на месте современного Магдаленсберга в Каринтских Альпах. Здесь и теперь можно найти отвалы шлака двухсотметровой длины и трёхметровой ширины – это остатки переработки железной руды. Рядом стояли печи – сыродутные горны, в которых руда превращалась в металл. Неподалёку находились кузни, где продукты плавки – железные «крицы», представлявшие собой смесь металла и тестообразного шлака – после кропотливой искусной обработки становились стальными мечами, наконечниками копий, шлемами или инструментами. Экспериментальное воспроизведение кельтской металлургии, сделанное австрийским учёным Гарольдом Штраубе, показало, что в их сыродутных горнах можно было довести температуру до 1400 ºС. На умение кельтов достигать высоких температур указывает также то обстоятельство, что они были единственным европейским народом Древнего Мира, умевшим делать из расплавленного стекла браслеты, не имеющие швов. Обнаруженные археологом Г. Рикочини надписи говорят об оживлённой торговле железом и сталью с Римом, который оптом закупал их в виде слитков, напоминающих кирпичи или полосы. Высочайших результатов достигли кельты в изготовлении так называемых «наварных» изделий, у которых на мягкую железную подоснову наваривалось (методом печной или кузнечной сварки) стальное лезвие. Длинные (до 80 см) мечи, изготовленные таким способом, были самым мощным оружием того времени. Сталь для «осталивания» оружия и инструментов кельты получали, главным образом, науглероживанием железа в огне древесного угля. Однако существовал и гораздо более эффективный способ, о котором сообщает древнегреческий историк Диодор Сицилийский из Агириона: «…Они (кельты) закапывали прокованные железные пластины в землю и держали их там до тех пор, пока ржавчина не съедала все слабые части. Из оставшихся более прочных частей они ковали свои превосходные мечи и другое оружие. Изготовленное таким образом оружие разрезает всё, что попадает на его пути, ибо ни щит, ни шлем и ни тем более тело не могут противостоять удару этого оружия, настолько велики преимущества такого железа…». Дело в том, что полученная в горне железная крица была очень неоднородна по химическому составу. Она представляла собой смесь железа и стали и даже после тщательной проковки участки с низким содержание углерода перемежались с участками с высоким содержанием углерода. Такая неоднородность была причиной неравномерной коррозии, так как во влажной земле участки с низким содержанием углерода окисляют- 108 ся намного быстрее. После длительного пребывания в земле мягкие участки крицы разрушались и оставалась сталь. Этот дорогой и длительный процесс получения стали кельтские кузнецы использовали в особых случаях, когда надо было изготовить оружие особо высокого качества, поэтому с большой долей вероятности можно предположить, что упоминание в легендах и сказаниях многих народов чудо-оружия (у славян – знаменитого меча-кладенца) имеет вполне реальный прототип – мечи из стали, полученной таким трудоёмким способом. Однако кельтами применялся и ещё один, наиболее замечательный способ осталивания кричного железа, дававший удивительные результаты. В соответствии с этой технологией приготовления стали, предварительно прокованное железо измельчалось до состояния мелкой стружки и подмешивалось в корм домашней птицы, чаще всего – гусей. Проходя через чрезвычайно агрессивный кислотный пищевой тракт птиц, мягкое железо быстро коррозировало, и в итоге оставалась только высококачественная твёрдая сталь, использовавшаяся для изготовления лезвий мечей и кинжалов. 2.4 Ассирия – первая мировая империя Ассирия – государство с богатейшей и древней историей – располагалась в северо-западной части Месопотамии. Оно сформировалось на территориях, первоначально освоенных шумерами, в конце III тыс. до н.э. и просуществовало почти до конца VII в. до н.э. Период наивысшего рассвета Ассирии приходится на IX–VIII в. до н.э. и в значительной степени связан с развитием металлургии железа. Железа было найдено свыше 200 т: в виде криц, оружия, пил и кузнечного инвентаря, что позволяет судить о том, что в городе были сосредоточены и интеллектуальные ресурсы государства – мастера-металлурги. Для времени, о котором идёт речь, 200 т железа – это огромное количество, поскольку из него тогда делали только наступательное вооружение: наконечники копий и стрел, кинжалы и короткие мечи. По-видимому, именно применение железного оружия стало решающим фактором успешных военных походов ассирийцев. В результате размеры государства необычайно увеличились: от гор Армении и Ирана до дельты Нила. Ассирию VIII в. до н.э. не случайно принято называть первой в истории «мировой империей». Во все времена римляне придавали огромное значение добыче металлов. В римскую эпоху горное дело сделало существенный шаг вперёд: шахты стали уходить в 117 землю на глубину свыше 100 м. На рудниках у Нового Карфагена работали свыше 40 тыс. рабочих, а у Рио-Тинто, по свидетельству Плиния – до 100 тыс. человек. Римляне первыми при работах в рудниках стали широко применять водоотливные машины, носившие название «египетских улиток». «Механизм этих улиток устроен так, что при самой обыкновенной работе против всякого ожидания увлекается наверх огромное количество воды, и весь подземный речной поток быстро направляется из глубины на поверхность» (Плиний). Римские мастера первыми обратили внимание на то, что из металла, производимого в одном регионе, получаются качественными одни виды изделий и вооружений, а из металла из другого региона (при той же технологии термомеханической обработки) – другие виды изделий. Особенно тщательно изготовлялись короткие (до 60 см), так называемые, «иберийские» мечи («гладиус») для ближнего боя – основного военного приёма римских легионеров. Лезвия для этих мечей производились в Испании, а мягкая сталь для подосновы завозилась из северных (Норик и Галлия) и восточных провинций, или импортировалась. Наварка лезвий на ГЛАВА 3. РАННИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ Извлечение железа из руд Способы производства железа (стали) из руд в тиглях, помещенных в специальные горны (подобные древнейшим горнам, применявшимся для изготовления керамических изделий), и в ямах, получивших в Западной Европе название «волчьих», стали первыми в истории человеческой цивилизации. Оба способа являются металлургическими приемами, унаследованными от освоенного ранее производства меди и бронзы с существенными усовершенствованиями, связанными с природными отличиями руд металлов и их поведением в ходе плавки. На то, что древнейшим способом производства всех видов металлов являлся тигельный, указывают многочисленные археологические находки последних десятилетий во многих регионах мира: в Малой Азии, Европе, на Дальнем Востоке. В нашей стране, на Урале, в районе «чудских» разработок, датируемых II тыс. до н.э., найдены медные и железные руды в глиняных горшках, а рядом с ними – металлургические шлаки вместе с каменными и медными орудиями труда. По мнению специалистов исторической науки, тигельная плавка металлов в домашнем очаге представляла собой общедоступный кустарный способ производства, с освоением же технологии получения металлов в «волчьих ямах» металлургия превратилась в особое ремесло – первую настоящую самостоятельную индустрию в истории цивилизации. Однако необходимо отметить, что архаичная «волчья яма» уже к началу новой эры была практически повсеместно вытеснена гораздо более прогрессивным металлургическим агрегатом – сыродутным горном, тигельный же процесс выплавки железа из руд получил дальнейшее развитие (прежде всего в странах Азии), поскольку позволял, хотя и в небольших количествах, получать сталь высочайшего, даже по современным стандартам, качества. В чем заключаются отличия металлургических агрегатов, в которых обрабатывалась железная руда, от их предшественников? Во-первых, для восстановления железа из оксидов требовалось значительно большее количество древесного угля, чем при плавке медной руды, где он играл роль только источника тепла. Во-вторых, конструкция горна и технология плавки должны были обеспечивать существенно более высокий температурный уровень процесса, поскольку разделение железа и пустой породы возможно только после перевода одного из материалов в расплавленное состояние, в данном конкретном случае – после образования шлака. Минимальная температура формирования шлакового расплава, основной составляющей которого является минерал фаялит (Fe2SiO4) составляет около 1200 ºС. Между тем при производстве меди и бронзы температура в печи составляла не более 1000 ºС. Поэтому для повышения температурного уровня процесса необходимо было применение более мощных воздуходувных средств или создание условий для интенсивного естественного притока воздуха. Необходимо отметить, что в древности пытались снизить температуру плавления шлака путем добавления в шихту специальных флюсующих добавок. Известно, что в Месопотамии и Малой Азии для этих целей еще во II тыс. до н.э. использовалась смесь костной золы и доломита. Однако этот способ мог давать ощутимый эффект лишь в отдельных случаях и только при тигельной плавке. 3.1 Тигельная плавка Тигельный способ производства ковкого железа, а впоследствии стали, был повсеместно распространён уже в Древнем Мире. Тяготение европейской металлургии к сыродутной плавке железа наметилось лишь в последние столетия этой эпохи. В Азии тигельная плавка просуществовала в качестве основной металлургической технологии 138 до конца XIX в., а в кустарном производстве применяется до сих пор. Расцвет тигельной металлургии высококачественной стали приходится на V–XIII вв. Именно в тиглях впервые был выплавлен новый высокоуглеродистый железный сплав – чугун. Произошло это, по-видимому, в Китае в середине I тыс. до н.э. Для получения чугуна в тигли помещали шихту, состоящую из кричного железа и древесного угля, и производили длительную выдержку тиглей в горнах при температуре свыше 1200 °С. Постепенное растворение углерода угля в железе позволяло получить из твердого кричного железа насыщенный углеродом жидкий металл – «синтетический» чугун. Известны многочисленные археологические находки остатков печей, фрагментов тиглей со шлаками и невосстановленными спеками, складов руд, древесного угля и флюсов этого периода. Исследования этих материалов, в том числе методами металлографии и «практической археологии», позволили достаточно точно воспроизвести технологию процесса. Опишем ее в том виде, в котором она применялась в Средней Азии в IX–XII вв. Для плавки применялись тигли цилиндрической формы, высотой до 1,2 м и внутренним диаметром до 12 см (рис. 3.1). Толщина стенок составляла от 2 до 4 см. Материалом для изготовления тиглей служила специальная смесь из песка и жаростойкой глины. Тигли изготавливались по «шаблону» – матерчатому чулку. Они могли выдерживать температуру до 1650 ºС. Сверху тигли закрывались полусферическими крышками с отверстиями в центральной части для выхода газов во время плавки. В состав шихты входили: железная руда, древесный уголь и флюсы, из которых наиболее часто использовался доломит. Все шихтовые материалы предварительно дробились до крупности лесного ореха и тщательно перемешивались. Шихту загружали в 139 предварительно обожженные тигли, которые помещались в горн и частично засыпались гравием для устойчивости и равномерного прогрева Выступавшие над гравием части тиглей обкладывались древесным углем, камышом и кустарниковыми растениями, дававшими при горении высокую температуру. По мере повышения температуры в тигле начинался процесс восстановления оксидов железа углеродом древесного угля, затем плавился шлак и, наконец, железо. Окончательный состав стали формировался в нижней части тигля в результате просачивания капель металла через слой ранее образовавшегося и более легкого шлака. Тигель оставался в горне после окончания процесса до полного остывания. Остывший слиток металла извлекали, разбивая тигель. Его масса редко превышала 2–3 кг, но этого количества было вполне достаточно для изготовления клинка или деталей доспехов. Секрет высокого качества тигельной стали заключался в длительном контакте сначала крицы, а позднее – расплавленного металла, с железистым шлаком. При этом из металла в шлак переходили наиболее вредные, с точки зрения качества металла, примеси: фосфор и сера. 3.2 Сыродутный горн Сыродутный горн стал первым металлургическим агрегатом, специально предназначенным для производства железа из руд. Его конструкция явилась следствием желания древних металлургов повысить интенсивность поступления в агрегат воздуха, что было необходимым условием повышения температуры процесса. Сначала для экстракции железа из руды использовали «волчьи ямы», их иногда применяли еще и в начале новой эры. Например, в ямах диаметром до 1,5 м и глубиной до 0,6 м обрабатывали железную руду германские племена. Ямы обязательно устраивались в местах интенсивного естественного движения воздуха: на холмах, в предгорьях, в лесных просеках. Однако очень быстро пришли к тому, что наиболее эффективным способом усиления дутья является сооружение над ямой надстройки – своеобразной аэродинамической трубы. В основании древнейших из известных сыродутных горнов располагались все те же круглые ямы, стенки которых были обмазаны толстым слоем глины. Именно к ямам подводились каналы для нагнетания в агрегат воздуха. Над ямами из прутьев сплеталась коническая конструкция, которая затем обмазывалась огнеупорной глиной. Впоследствии сыродутные горны перестали сильно углублять в землю, что значительно облегчило их обслуживание. По данным последних археологических исследований, первые сыродутные горны появились в начале II тыс. до н.э. Широкое, практически повсеместное распространение, они получили в латенском периоде железного века, то есть в V–I вв. до н.э. Название горна «сыродутный» (сырое дутье) появилось в середине XIX в., когда для подачи воздуха в доменные печи стали использовать мощные паровые машины, а сам воздух – подогревать. После этого архаичные печи, в которые дутье подавалось с помощью привода от водяных колес, а тем более за счет мускульной работы человека, быстро стали неконкурентоспособными. Именно к таким печам и стали применять термин «сыродутные». В настоящее время, с точки зрения истории металлургической техники, принято деление агрегатов для экстракции железа из руд по виду основного продукта процесса: · «сыродутный горн» – агрегат, в котором при любых параметрах процесса может быть получено только кричное железо; · «домница» – печь, в которой в зависимости от условий плавки можно было производить либо кричное железо, либо чугун, либо оба продукта одновременно; · «доменная печь» – агрегат, в котором при любых параметрах плавки может быть выплавлен только чугун. Другое название сыродутного горна, используемое в специальной литературе – «низкий горн» – указывает на то, что его высота не превышала человеческий рост, то есть составляла не более 1,5 м, и он легко обслуживался мастерами-металлургами вручную. Температура нагрева материалов в сыродутных горнах не превышала 1300 ºС, что является недостаточным для плавления получавшегося в результате процесса, низкоуглеродистого железа. Поэтому продуктом «плавки» была «крица», представлявшая собой пористый (похожий на губку) материал – спек неравномерного по химическому составу железа со шлаком. Шлак постоянно вытекал из печи через специальный канал в ее нижней части. Отсюда происходит еще одно название сыродутного горна, особенно часто применяемое в немецкой литературе – «печь с бегущим шлаком». Главной составляющей шлака, как и в случае тигельной плавки, был фаялит, поэтому потери железа со шлаком были чрезвычайно высоки и достигали на начальном этапе освоения технологии 80 % от массы загруженного в агрегат железа. Тем не менее, сыродутный горн во многих регионах Азии и Африки просуществовал до конца XIX в., а у народов некоторых отдаленных регионов (например, на островах Индийского и Тихого океанов) встречается до сих пор. Сыродутные горны отличались большим разнообразием конструкций. Чаще всего они строились из высокоогнеупорной глины на каркасе из плетеных прутьев, а для укрепления стенок печи применялись деревянные обручи. Иногда горн полностью помещался в деревянный сруб или обкладывался камнями. У славянских народов и в Скандинавии распространение получила конструкция, в которой нижняя часть печи располагалась в землянке, а верхняя незначительно выступала над поверхностью земли Для выхода шлака внизу печи оставляли канал, перед которым вырывали углубление для скапливающегося расплава. В древности добывали главным образом руды, представлявшие собой карбонаты или гидроксиды железа. При нагреве они выделяли большое количество газов, препятствующее нормальному ходу процесса. Поэтому перед загрузкой в горн руду, как правило, укладывали в кучи с дровами, разводили костры и в течение суток прокаливали. Затем ее измельчали до крупности лесного ореха и перемешивали с древесным углем, составляя шихту. Сыродутный горн просушивали и прогревали, разводя внутри него на продолжительное время костер. Затем горн примерно на две трети высоты наполняли древесным углем, и лишь после этого укладывали шихту. Над верхней частью горна снова укладывали древесный уголь так, чтобы образовалось небольшое коническое возвышение. Воспламенение древесного угля осуществляли через канал для выпуска шлака, который наполняли мелкими дровами и хворостом. Подача в горн дутья приводила к разжиганию угля, углерод которого в условиях недостатка кислорода горел до оксида углерода (СО). По мере выгорания угля и образования жидкого шлака, небольшие чешуйки восстановленного железа опускались вниз печи, свариваясь друг с другом. Таким образом, в результате процесса продолжавшегося около суток, формировалась одна или несколько криц. На первых порах освоения технологии масса крицы редко превышала 1– 2 кг. Однако впоследствии научились производить крицы массой 25–40 кг, а в наиболее производительных каталонских горнах – даже до 120–150 кг. Для извлечения крицы из горна приходилось разрушать часть его стенок. Поэтому каждой новой плавке предшествовали работы по восстановлению конструкции печи, обмазка внутреннего пространства агрегата глиной, а также установка новых сопел, прочность которых, вплоть до изобретения металлических фурм, была очень низкой. Извлеченная из горна с помощью ломов или специальных клещей крица содержала большое количество включений шлака и несгоревшего угля. Поэтому ее подвергали механической обработке деревянными молотами для удаления вышеупомянутых примесей. Только после этого приступали к термомеханической обработке металла. |