Древняя металлургия, путь от камня и бронзы к стали | История металлургии

История плавки металла, от сыродутной меди и метеоритного железа до чугуна и стали

Основной движущей силой научно-технического прогресса всегда была и остается металлургия. Развитие строительства, сельского хозяйства и промышленного производства неразрывно связано с применением металлических инструментов и приспособлений. В обзоре будет рассказано про историю металлургии.

Историю человечества принято делить на 3 эпохи: каменный, бронзовый и железный века, что отражает крайнюю важность появления и развития технологий плавки металлов в становлении человеческой культуры и цивилизации.

Металлургия позволила вытеснить непрактичные и ненадежные орудия труда из каменных пород, таких как сланец, песчаник, базальт, кремний и пр. Ведь металлические инструменты и приспособления превосходят по прочности каменные аналоги.

Металлическое острие не крошится, что открыло перед древними людьми абсолютно новые и недоступные прежде возможности для земледелия, строительства и производства.

Ниже можно будет узнать о том, как выплавить сталь.

Первое знакомство человека с металлами

Металлические инструменты и предметы обихода сопровождают человечество с глубочайшей древности. Что нужно знать про историю плавки металла.

Археологические находки подтверждают, что человек пользовался металлическими изделиями как минимум со времен неолита (позднего периода каменного века), около 9000 лет до н.э. Речь идет о самородных и метеоритных металлах, которые без переплавки, но с грубой механической обработкой (ковка и шлифование), использовались в роли ударного, колющего и режущего инструмента, а также различных предметов обихода и украшений.

Древние копи (шахты) изначально создавались для выработки каменных залежей, которые шли на производство предметов труда и обихода. Параллельно с каменной породой начали обнаруживаться самородки золота, меди и серебра.

Металлические самородки просто расплескивались каменным молотком на каменной наковальне. Для формирования ровных граней и острой кромки использовалась абразивная шлифовальная обработка о те же каменные поверхности, которые со временем превратились в точильные камни.

Теперь подробнее про историю металлургии.

Эпоха медной и бронзовой плавки

Достоверных сведений о точном времени и месте первой выплавки металла нет. Археологические находки свидетельствуют о существовании медных плавилен около 7000—6000 лет до н.э. на территории Малой Азии (Анатолия, современная Турция).

Первые металлурги делали ставку именно на медь, так как среди самородных металлов медь обладала наилучшими прочностными характеристиками.

Предел прочности меди составляет около 25 (кг*с/мм2). Предел прочности золота находится на уровне около 10 (кг*с/мм2).

Температура плавки меди составляет 1058 С. А при горении дров можно получить в среднем лишь 700-800 С, чего хватало только на получение олова со свинцом. Для достижения нужной температуры первым металлургам пришлось прибегнуть к помощи силы ветра.

Благодаря воздушному потоку и теплоизоляции стенок камеры сгорания удалось увеличить жар до температуры 1000—1100 С, чего достаточно для плавки серебра, золота и меди.

Древние печи располагались с подветренной стороны таким образом, чтобы поток воздуха проникал в зону горения снизу и свободно выходил через верхнюю часть воздуховода. Создавался так называемый «эффект трубы».

Какие еще эпохи можно выделить в истории плавки металла. Запасы самородной меди достаточно быстро исчерпались и взор древних металлургов пал на медную руду, которая была представлена смесью каменной породы и медносодержащих компонентов (оксидов и сульфидов). Плавка меди из руды осуществляется примерно с периода 5000 лет до н.э.

Окисленная медная руда располагается на поверхности, выше уровня грунтовых вод. Рудные медные окислы представлены в основном малахитом и азуритом. Главным преимуществом окисленной медной руды является возможность сравнительно простого восстановления меди из окислов.

Для восстановительной плавки металлурги смешивали помол малахита с древесным углем. При сжигании смеси получалась чистая медь.

Нижние слои медной руды представлены уже не окислами, а сульфидами (халькопирит, халькозин). Технология восстановления меди из сульфидов является более сложной. Для этого требуется более высокая температура плавки, а сама сульфидная руда нуждается в предварительной подготовке (оксидировании и спекании).

Параллельно с чистой медью древние металлурги выплавляли и бронзу. Для получения бронзы использовалась так называемая блеклая руда. Это все та же сульфидная медная руда, но с повышенной концентрацией сопутствующих металлов: мышьяк, сурьма и олово.

В процессе восстановительной плавки блеклой руды вместо чистой меди получается так называемая мышьяковая бронза.

Бронза имеет более высокие эксплуатационные характеристики по сравнению с чистой медью. Предел прочности бронзы находится на уровне 35 (кг*с/мм2). Бронзовый инструмент более стойко переносит механические нагрузки, он сложнее деформируется и реже тупится.

Ближе к 3000 лет до н.э. человечество освоило производство оловянной бронзы. Замена мышьяка на олово позволило сделать плавку металла менее вредной для здоровья металлургов. Дополнительным преимуществом оловянной бронзы перед мышьяковой является возможность многократной переплавки бронзы без потери качества сплава.

Если же переплавлять мышьяковую бронзу, то сплав становится хрупким. Переплавленная мышьяковая бронза годилась лишь для производства каких-то предметов быта и украшений, то есть вещей, которые не подвергались механической нагрузке.

При добавлении в оловянную бронзу 7% свинца появлялась возможность полировать сплав до зеркального блеска. Оловянно-свинцовая бронза является первым рукотворным материалом с ярко выраженными зеркальными свойствами.

Как развивалась история металлургии после бронзовой эпохи.

Эпоха кричного железа

Разумеется, запасы медных рудников не были безграничными. Со временем производство меди и бронзы увеличивалось в цене и становилось все более и более дефицитным. Древние металлурги были вынуждены искать другие альтернативные материалы для плавки металла.

Вместо традиционной медной руды в ход начала пускаться железная руда, представленная гематитом и лемонитом. Данные разновидности железной руды находятся на поверхности залежей оксида меди.

Температура плавки железа составляет 1538 С. Подобный уровень нагрева являлся недостижимым для человечества вплоть до средневековья, XII века. Металлургам же древнего мира был доступен максимальный нагрев лишь на уровне 1100—1200 С.

Максимальная температура достигалась в так называемой сыродутной печи. Такая печь оснащалась кожаным мехом, который складывался и открывался по принципу гармошки. При сжатии меха из сопла вылетал сырой холодный воздух (сыродутный).

Насыщенный кислородом воздух позволял увеличить интенсивность жара.

Железная руда, перемешанная с древесным углем, при температуре 1100—1200 С превращалась в так называемое кричное железо. Это не сталь и даже не чугун. Кричным называют губчатое железо, то есть частично восстановленный металл, который перемешан с обугленной породой (шлаком).

Чтобы создать из кричного железа какое-либо металлическое изделие, из металла нужно было предварительно выбить шлак. Данный процесс представляет собой ковку. То есть крица располагалась на наковальне и оббивалась крупным и тяжелым молотом (кувалдой). Создание кричного железа повлекло за собой бурное развитие кузнечного дела.

Разработку технологии изготовления кричного железа приписывают хеттам, примерно 2000 лет до н.э. которые оказали влияние на появление грузинской народности.

Железные изделия из крицы обладали неплохим уровнем прочности. При должном уровне ковки кричный металл достигал предела прочности на уровне 40-50 (кс*с/мм2). То есть грамотно изготовленное и хорошо выкованное кричное железо было практически вдвое прочнее металлоизделий из меди.

Одно время кричное железо стоило намного дороже изделий из серебра и золота.

Как выплавить сталь.

Создание чугуна и стали

Кричное железо оставалось основным материалом для изготовления металлических инструментов и доспехов вплоть до периода XII-XIII веков.

В это время металлурги научились использовать энергию падающей воды, что позволило заметно повысить эффективность сыродутного процесса. Дополнительно горн начали обкладывать более термостойкими и теплоизолирующими материалами. Окончательно выйти на температуру плавления железа, 1538 С, получилось при замене древесного угля на кокс.

При переплавке железной руды помимо крицы получался и чугун. Это обогащенное углеродом железо, которое обладает высокой хрупкостью. Из-за этого изначально чугун считался отходом производства. Но вскоре металлурги обратили внимание на отменные литейные качества чугуна.

Первое время чугун применяли для литья декоративных фигурных элементов, которые использовались при оснащении изгородей, фасадов и колонн.

Для улучшения свойств кричного железа кованный металл начали сплавлять с чугуном. Полноценная сталь появилась лишь в середине XIX века, когда чугун был подвергнут конвертерному процессу. То есть расплавленный чугун начали продувать кислородом, что позволило снизить концентрацию углерода ниже 2,5%.