3.1. Тигельная плавка

Тигельный способ производства железа (стали) в Древнем мире был распространен повсеместно. Тяготение европейской металлургии к сыродутной плавке железа наметилось лишь в последние столетия этой эпохи. В Азии тигельная плавка просуществовала в качестве основной металлургической технологии до конца XIX века, а в кустарном производстве применяется до сих пор. Расцвет тигельной металлургии высококачественной стали приходится на V – XIII века. Их производство будет подробно рассмотрено в третьем разделе курса – «Средневековье». 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 веках. Для плавки использовались тигли цилиндрической формы высотой до 1,2 м и внутренним диаметром до 12 см. 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 °С. 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 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 в начале новой эры. Например, в ямах диаметром до 1,5 метров и глубиной до 0,6 метров обрабатывали железную руду германские племена. Ямы обязательно устраивались в местах интенсивного естественного движения воздуха: на холмах, в предгорьях, на 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 2-го тысячелетия до н.э. Широкое, практически повсеместное распространение, они получили в латенском периоде железного века, то есть в V – I веках до н.э.

Название горна «сыродутный» (сырое дутье) появилось в середине XIX века, когда для подачи воздуха в доменные печи стали использовать мощные паровые машины, а сам воздух – подогревать. После этого архаичные печи, в которых дутье осуществлялось 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 в 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 человеческого роста, то есть составляла не более 1,5 м, и он легко обслуживался мастерами-металлургами вручную.

Нагрев материалов в сыродутных горнах происходил до температуры не более 1300 °С, которой недостаточно для получения 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 при тигельной плавке, был фаялит, поэтому потери железа со шлаком были чрезвычайно высоки и достигали на начальном этапе освоения технологии 80% от количества железа, загруженного в агрегат. Тем не менее, сыродутный горн во многих регионах Азии и Африки просуществовал до конца XIX века, а у народов некоторых отдаленных регионов (например, на островах Индийского и Тихого океанов) встречаются до сих пор.

Рассмотрим наиболее распространенную конструкцию сыродутного горна. Как правило, он строился из высокоогнеупорной глины на каркасе из плетеных прутьев. Для укрепления стенок печи часто применялись деревянные обручи, а иногда она полностью помещалась в деревянный сруб или обкладывалась 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.

Внутреннее пространство печи представляло собой два усеченных конуса с общим большим основанием (хотя нередко использовались и другие конфигурации: усеченные пирамиды, цилиндры и т.п.). Горн снабжался одним или несколькими глиняными фурмами (соплами – от старорусского «сопеть», то есть «дуть»), диаметр которых постепенно уменьшался в направлении внутреннего пространства печи и составлял, как правило, от 60 до 25 мм. В фурмы вставлялись дутьевые мехи, причем если использовалась одна фурма, то в нее вставлялись два меха, попеременная работа которых обеспечивала относительно постоянный приток воздуха в печь. 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 кучу 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 образования оксида углерода (CO). Таким образом, в печи создавалась восстановительная среда, способствовавшая восстановлению железа из оксидов.

По мере выгорания угля и образования жидкого шлака небольшие чешуйки восстановленного железа опускались в нижнюю часть 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.