Как древние люди добывали металл
Обновлено: 04.10.2024
Металл - химически простое вещество или сплав, имеющий хорошие показатели электропроводности и теплопроводности, ковкость и характерный блеск.
Первым известным человеку металлом стала медь . По мнению ученых, изначально первобытные люди относились к ней, как к камню. Они находили медные самородки и обрабатывали их шлифованием , обивкой и другими «каменными» способами. Скорее всего, разница между мягкой медью и твердым камнем стала очень скоро. Орудия труда из металлических самородков быстро ломались.
Как пришла идея о плавке металла, доподлинно неизвестно. Можно лишь предположить, что раздосадованный первобытный человек кинул самородок в костер. А после увидел, как «камень» растекся и вскоре застыл. Примерный период события - 5-6 век до нашей эры.
История освоения металлов
На то, чтобы научиться выплавлять бронзу и добывать из горных пород медь и олово , у человечества ушло не менее 500 лет. Бронзовый век завершился после того, как индоевропейцы (народ Малой Азии — хетты) придумали способ разработки железа. Историки относят это событие к 1200 году до нашей эры.
Предметы Железного века использовались по всему миру — в Антологии, Древних Риме, Греции и Египте, на Среднем и Ближнем востоке. Изделия не сохранились, но есть следы их применения.
Факт: гидравлические молоты, доменные печи и большинство других металлургических устройств создали древне-китайские ученые. Европейцы только воспользовались их наработками.
Первый металл человека — медь
Медь нередко присутствует в форме самородков в коре Земли, также как серебро или золото . Можно предположить, что самые ранние орудия труда выполнялись именно из таких самородков. Качества металла, способствующие его глобальному распространению:
- Легкость выплавки из руд;
- Податливость холодной ковке.
Древние медные рудники и «предприятия» по выплавке меди существовали, например, в 3-ем веке до нашей эры на Кипре. По этой причине наименование металла на латинском языке — cuprum.
За 2 тысячелетия до нашей эры рудники меди появились и на Руси. Их остатки обнаружили в Сибири, на Кавказе и Урале. Интересный момент — у русского названия природного ресурса нет ясной этимологии. Ряд ученых предполагают, что «имя» появилось благодаря Мидии — древней стране, находящейся на территории нынешнего Ирана.
Открытие и использование бронзы
Бронза — сплав меди с оловом, вытеснила чистый металл. «Натуральные» источники олова не столь многочисленные, как меди. Столетия назад большинство народов отправляло за ним торговые экспедиции на «Оловянные острова» (сегодня Великобритания).
Назначение меди и бронзы у троянцев, греков и других древних цивилизаций:
- Производство доспехов;
- Создание боевого оружия.
Водостоки создавались из глины и древесины, плуги для вспахивания земли — из прочного дерева. Металлы шли на нужды военного дела. Бронза — тяжеловесный материал. Поэтому человечеству «пришлось» открыть и научиться выплавлять сталь.
Освоение металлов — железо
С железом люди были знакомы еще в Бронзовый век. Но его сыродутная форма, производимая при низких температурах, была мягкий. А метеоритное железо, выкованное из упавших на Землю метеоритов, встречалось крайне редко. Выполняемое из него оружие могли позволить себе лишь богачи. Кинжалы из «метеоритов» называли небесными.
Начав находить первые железные руды, человечество обнаружило, что они есть буквально везде. Пришло время «металлургической революции». Участие в ней приняла вся Европа и Ближний восток. Железное дело активно развивалось как в странах с опытом обращения с бронзой, золотом, серебром. Так и у прежде не работавших с металлами государств.
Последующее развитие металлургии неравномерно и растянуто по времени. Поэтому делений на Стальной, Нержавеющий или Кадмиевый век нет.
Современный человек использует металлы повсеместно. Из них производятся бытовая техника и автомобили, посуда и предметы интерьера. Заказать практически любое изделие и конструкцию из титана, алюминия, меди, магния и других сплавов для своих целей можно на нашем сайте.
Европейская металлургия от костра до мартена
На протяжении всей истории человечества образ хозяйствования нашей цивилизации определяли металлы. Вообще говоря, все первые металлы, открытые человечеством, стоят правее водорода в электрохимическом ряду напряжений металлов. Это так просто потому, что все остальные по закону неумолимой термодинамики будут окислены во влажных и окислительных условиях атмосферы и литосферы. Точнее говоря, те, что правее водорода, тоже будут окислены – но сильно позже. А пока что встречайте: медь, серебро, золото, сурьма!
Справа все интересующие нас металлы, а заодно ртуть и платина. Не влезли палладий и висмут, но они встречаются реже метеоритов
Все эти элементы при определенной доле удачи могут быть встречены в самородном виде – неслыханное счастье для тех, кому до того предстояло пользоваться каменными орудиями труда. Металлу можно придавать почти любую форму, он не раскалывается, а деформируется при ударах, а еще его можно затачивать и делать качественно лучшие орудия труда. Золото, серебро и медь уже к позднему неолиту вовсю использовались для изготовления украшений, а в 6 тысячелетию человечество открыло для себя медные инструменты. Однако самым лучшим доступным металлом было, конечно, железо. Для того, чтобы найти его в чистом виде, нужно поистине дьявольское везение – оно встречается только в упавших метеоритах и является настоящей царской прерогативой (так, кинжал из гробницы Тутанхамона сделан именно из такого железа).
Новую веху в истории обработки металлов ознаменовала восстановительная металлургия. Люди открыли, что, если спекать некоторые минералы с углем, в камешках получившегося шлака заблестят кусочки меди. Это позволило человечеству перейти на небывало высокий по сравнению с неолитом уровень технологий. Новые медные инструменты и так были на порядок лучше каменных, но теперь они стали по-настоящему доступны. Вскоре появились первые печи для плавки меди, которые, например, можно найти в древних городах Анатолии. Так, первое найденное литое изделие датируется 5000 г. до н. э.
диаграмма Эллингема
Теперь сделаем небольшое отступление обратно к современности и обратим свои взоры на диаграмму Эллингема. Эта диаграмма показывает нам, насколько при разных температурах стабильны различные оксиды. Также она позволяет легко определить, восстановит ли углерод или угарный газ нужный оксид до металла при данной температуре – для этого всего лишь нужно посмотреть, в какой точке линия С и СО становится ниже линии соответствующего металла. Из нее можно понять, например, что даже при небольшом нагревании и углеродом, и угарным газом медь восстановится со свистом, а вот чтобы восстановить железо, придется хорошенько постараться (но все же меньше, чем для многих других металлов).
Проблема состоит не только в этом. Мало просто восстановить металл, необходимо его еще и расплавить, иначе вместо слитка, которому можно придать любую форму, получится просто серый (в случае железа) или красный (в случае меди) порошок. Поэтому для эффективного изготовления железных изделий нужна такая печь, которая сможет расплавить железо. Однако построить ее не так-то просто, первые железоделательные печи появились на территории той же Анатолии у хеттов примерно к 1200 г. до н. э. До этого человечество обходилось медью или бронзой – сплавом меди с мышьяком или оловом (бронза была попрочнее меди, дольше изнашивалась и плавилась при меньшей температуре).
Сыродутная печь
Такие требования сформировали облик европейской железной металлургии на многие века. Схема печи оставалась общей: высокая глиняная/земляная труба, в которой вперемежку уложены слои железной руды (как правило, болотной бурой слизи или каменной руды) и древесный уголь. Все это мероприятие было крайне малопрофитным в смысле целевого продукта, в железо превращалось около 30% руды в лучшем случае. Несмотря на это, железные орудия были на порядок выгоднее орудия из любого другого металла, доступного европейцам, из-за не в пример большего качества.
Описанный выше способ выплавки железа назывался сыродутным. Получившийся кусок железа содержал крайне большое количество шлаков, поэтому его проковывали большое количество раз. При этом получившееся железо обладало существенным недостатком. При получении оно было крайне твердым и незатачиваемым (так как содержало большое количество углерода), а при дальнейшем выгорании – очень мягким. Поэтому единственным способом получить нормальное, функциональное изделие было сваривание нескольких пакетов железа методом проковки сложенных слоев железа, просыпанных между собой бурой. Усовершенствовав технологи многократной проковки заготовки до предела и чередуя мягкие и твердые слои железа, человечество научилось изготавливать булатную сталь – один из лучших видов металлургической продукции своего времени.
Одним из основных шлаков в металлургическом производстве Средневековья был чугун. Он выплавлялся из руды раньше всех, потому что в нем больше углерода, а, чем больше в каком-либо твердом веществе примеси, тем ниже его температура плавления. Также чугун крайне хрупок и тяжел, что затрудняло его применение в металлургии. Довольно большая часть железа всегда уходила в шлаки в виде чугуна, откуда его было уже не выдернуть. В больших по размеру печах (штукофенах и блауофенах) с четырех-пятиметровыми «резервуарами» для руды и угля в чугун и шлак уходило просто огромное количество железа. Обычно из чугуна потом изготавливали низкотехнологические изделия типа кувалд, ядер и прочего. Забавный факт – и по сей день шлаки металлургического производства используются в дорожном строительстве как материал для брусчатки.
Схема современной доменной печи
Следующей вехой развития железного производства стали доменные печи. Человечество догадалось, что, если печь сделать достаточно большой, можно будет подбрасывать в нее уголь и руду прямо в процессе плавки, а железо, сталь, чугун и шлаки сливать из нее через отдельные летки. Этот процесс в 15-16 вв. стал очередным технологическим бумом для Европы – несмотря на то, что доменную печь нельзя было останавливать, а угля и руды она жрала абсолютно непомерное количество, она позволила европейцам превзойти весь мир по выплавке металла на душу населения, а, следовательно, по артиллерийской мощи.
С учетом роста населения и постоянно растущего спроса на железо его производство на душу населения в 11-13 вв. достигало порядка килограмма на человека в год. Для сравнения – современный небольшой ножик весит порядка 200 граммов, лезвие небольшого топора – около 700 граммов, а ведь еще нужно на чем-то готовить, чем-то строить, опять же всяческие метизы типа гвоздей, скоб, крюков и прочего. В итоге мы понимаем, что уровень сыродутной металлургии даже с учетом перекрытия некоторых потребностей другими металлами давал ужасающе мало.
Ситуация менялась, как ни парадоксально, с увеличением количества металлических изделий – можно было срубать больше деревьев, прокапывать более глубокие шахты, возводить более сложные конструкции. Производство росло в геометрической прогрессии – размер печей для выплавки железа все увеличивался, увеличивался от простой сыродутной печи к штукофену и блауофену и наконец-то вырос до настоящей домны с непрерывным циклом выплавки. И тут понеслась – положительная обратная связь сделала свое дело.
Всеевропейское внедрение в 15-16 веках доменной печи сразу, буквально за несколько десятилетий, увеличило количество производимого на душу населения железа втрое, а то и вчетверо. Нашей цивилизации впервые стали по-настоящему доступны каменные железные руды. Забегая вперед, скажу, что в Швеции, стране, которая на тот момент поставляла больше половины всего европейского железа, к 18 веку производство достигло невероятных 20 кг железа на человека. Впрочем, до обогащения и прочих технологических процессов мы пока еще не дошли – пока что это просто загрузка печи камнями руды, углем и флюсом – специальным веществом, чтобы снизить количество примесей в плаве и уменьшить температуру плавления.
Проблемой доменного производства была необходимость в огромном количестве качественного древесного угля – каменный уголь содержал много вредных для железа примесей, поэтому деревья приходилось вырубать в огромных масштабах. Об экологии тогда никто не заботился, но бескрайние леса были, очевидно, не во всех странах. Также откровенным минусом все еще был уход огромного количества железа в чугун, хрупкий и потому не годный для создания инструментов и метизов. Единственной масштабной отраслью применения чугуна было артиллерийское дело – на отливку пушек и ядер шли многие тонны чугуна. И вот тут человечество сделало пока чисто эмпирическое, но очень важное открытие – из чугуна при высокой температуре может выгорать углерод. Естественно, ни о каком углероде речь тогда не шла, но этот факт позволил железоделательному производству перейти еще на один технологический уровень выше.
Все помнят, как в морозилке замерзает соленая вода? Образуется большая ледышка, самого рассола становится меньше, концентрация соли в нем растет. Похожий процесс происходит и при плавлении чугуна на воздухе. Углерод из него частично выгорает, частично переходит в жидкую фазу, а на дне печи начинают образовываться кристаллы железа. Это явление заметил английский металлург Генри Корт, и вскоре практика пудлингования – перемешивания расплава чугуна вошла в Британии в крайне широкое распространение.
Печь для пудлингования. 1) Под 2) Труба с клапаном для регулирования силы тяги 3) Порог, отделяющий металл в рабочем объёме от топлива 4) Колосниковая решётка, на которой находится горящее топливо (уголь) 5) Боковое окно для пудлинговщика 6) Окно для заброса топлива
Как происходило пудлингование? Сначала в печи, обложенной огнеупорной футеровкой (отделка печи, позволяющая оградить тело печи от разрушительного влияния расплавов) без доступа открытого пламени расплавлялся чугун. По прошествии некоторого времени рабочие засовывали в расплав огромные железные штанги (около 40 килограммов весом) и начинали интенсивно перемешивать его. Вскоре на штангах выкристаллизовывалось чистое железо, температура плавления которого намного выше, чем у чугуна. Далее получившуюся крицу вынимали из расплава, проковывали и разделяли на слитки.
Естественно, процесс этот был далеко не из самых легких, однако он позволил высвободить для промышленности огромное количество чистого железа и разом решить проблему переизбытка чугуна. Процесс пудлингования доминировал в металлургии на протяжении практически ста лет, после чего был вытеснен сразу тремя способами – бессемеровским (открытым Генри Бессемером в 1856 году), томасовским (открытым в 1878 году Сидни Гилкристом Томасом) и мартеновским.
Принцип работы любого конвертера
Бессемеровский и томасовский процессы довольно схожи. В качестве основного реактора используется веретенообразная печь с огнеупорной футеровкой (в случае бессемеровского процесса – кислой, содержащей SiO2, в случае томасовского – основной, содержащей доломит CaCO3xMgCO3). В процессе плавки печь нагревается, опять же, без доступа открытого пламени, после чего продувается сжатым воздухом через сопла, расположенные в дне печи. Расплав поддерживается в горячем состоянии из-за процесса окисления примесей руды, проходящего с выделением температуры. Далее полученное железо подвергается дополнительному науглероживанию с образованием стали. Основное отличие двух способов состоит в химическом составе плава.
В томасовском процессе могут быть использованы загрязненные серой и фосфором руды – продукты окисления фосфора и серы связываются материалом футеровки, давая окисляющий железо углекислый газ. У этого способа есть недостаток – фосфор и сера удаляются из плава не в полном объеме, поэтому железо получается более ломким. В бессемеровском же процесса футеровка печи не позволяет использовать основные флюсы, что делает его более требовательным к качеству руды. Однако этот способ дает более качественное железо, что и определило его производственное преимущество в долгосрочной перспективе.
Настало время сказать несколько слов и про мартеновский процесс. Он был открыт в 1864 году французским инженером Пьером Мартеном. Основное его отличие от бессемеровского и томасовского способов состоит в том, что газообразное топливо (обычно природный газ или коксовый газ) подаются прямо в зону плавки, где расплавляют чугун и одновременно окисляют его. Мартеновский процесс получил особенно широкое распространение в качестве способа передельной металлургии, которая использует для выплавки новой стали железный лом.
Сейчас практически все процессы старины глубокой (кроме доменной выплавки, конечно) уже ушли в прошлое. Их заместили новые гиганты – конвертерно-кислородный (переиначенный бессемеровский) и электродуговой способы выплавки стали. Однако история их, как мне кажется, довольно увлекательна, чтобы помнить ее и интересоваться ей.
Божественно прекрасный томасовский конвертер
Автор: Павел Ильчук
VPS серверы от Маклауд быстрые и безопасные.
Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!
Древние рудники
Пришельцы, оказавшиеся на значительном расстоянии от родной планеты и испытывавшие дефицит в технологическом оборудовании для разработки месторождений, поступили просто и гениально, создав рабов-шахтеров. Не вкладывая существенных инвестиций в производство и переведя людей на самообеспечение, они беспощадно эксплуатировали своих рабов, которые с помощью примитивных орудий труда «выдавали на гора» необходимые пришельцам полезные ископаемые. Особенно ценным для инопланетян было не золото и не серебро, а олово, которое шумеры называли «небесным металлом». Среди древних племен существовала даже узкая специализация. Например, добычей олова занималось только племя кессаритов, которые ранее проживали на территории современного Ирана.
Древние шахты каменного века, в которых трудились наши предки, добывая для пришельцев полезные ископаемые, находят в различных регионах планеты – на Урале, Памире, Тибете, в Западной Сибири, Северной и Южной Америке, Африке. В более поздний период люди использовали старинные шахты уже для собственных нужд, извлекая из них руду для производства меди, олова, свинца, железа.
Чтобы добраться до меденосных слоев, необходимо было вскрыть 12 метров вязкого и очень тяжелого глинистого «чехла», надежно укрывавшего линзы и жилы медных минералов. Мы пытаемся расчистить одну из 35 тысяч подобных шахт
В сохранившемся до нашего времени иератическом тексте на новоегипетском языке (он хранится в Британском музее) говорится, что египетские фараоны еще длительное время пользовались запасами меди со складов, оставленных древними царями. Этот факт подтверждает «Завещание Рамзеса III» (1198–1166 годы до н. э.):
Послал я своих людей с поручением в пустыню Атек [на Синайском полуострове] к большим медным рудникам, которые в месте этом. И [вот] их ладьи полны ею [медью]. Другая часть меди отправлена посуху, навьючена на их ослов. Не слышали [подобного] раньше, со времен древних царей. Найдены их рудники, полные меди, которая погружена [в количестве] десятков тысяч [кусков] на их ладьи, отправляющиеся под их надзором в Египет и прибывающие целыми под защитой [бога] с поднятой рукой [бога Шина – покровителя восточной пустыни], и которая сложена в кучу под балконом [царского дворца] в виде многочисленных кусков меди [числом] в сотни тысяч, причем они цвета трехкратного железа. Дал я всем людям взирать на них, как на диковинку.
У народа, проживающего около озера Виктория и реки Замбези, сохранилась легенда о загадочных белых людях, которых называли «бачвези». Они построили каменные города и поселки, проложили каналы для орошения, вырубили в скальных породах шурфы глубиной от трех до 70 метров, траншеи длиной в несколько километров. Согласно легенде, бачвези умели летать, лечить все болезни и сообщали о событиях, происходивших в далеком прошлом. Пришельцы добывали руду и плавили металлы. Исчезли с лица Земли они столь же неожиданно, как и появились.
Панорама одного из многих участков Каргалов с тысячами следов засыпанных горных выработок (съемка с вертолета)
Наиболее ранние свидетельства железоделательного производства в Африке найдены в окрестностях Таруги и Самун Дикия – поселений, относящихся к культуре Нок и расположенных на плато Джос в Нигерии. Обнаруженную здесь печь для производства железа специалисты датируют 500–450 годами до н. э. Она имела цилиндрическую форму и была сделана из глины. Ямы для шлака были углублены в грунт, а трубка для мехов находилась на уровне земли.
Профессор университета штата Юта Э. Уилсон высказался по этому поводу так:
Без всякого сомнения, эти проходы сделаны рукой человека. Несмотря на то, что снаружи не было обнаружено никаких их следов, тоннели, по-видимому, велись с поверхности до того места, где с ними пересеклись нынешние разработки… Нет никакого видимого основания для датировки тоннелей.
Профессор антропологии университета штата Юта Джесси Д. Дженнингс отрицает, что данные тоннели могли проложить североамериканские индейцы, и не знает, кем были древние шахтеры:
Во-первых, для выполнения такой работы необходима прямая потребность данной местности в угле. До прихода белого человека все грузы транспортировались носильщиками-людьми. Что касается местности, нет никаких данных о том, что аборигены в районе шахт Уоттиса жгли уголь.
В Северной Америке обнаружено несколько рудников, в которых неизвестная цивилизация добывала полезные ископаемые. Например, на острове Ройал (озеро Верхнее) из древней шахты были добыты тысячи тон медной руды, которая затем загадочным образом была вывезена с острова.
Эйлатский регион, древнейшие медные шахты
В южной части штата Огайо обнаружено несколько печей для выплавки металла из железной руды. Фермеры этого штата иногда находят металлические изделия на своих полях.
Изображения «шахтеров» с загадочными орудиями труда, похожими на отбойные молотки и другие инструменты, предназначенные для горных работ, можно встретить в различных регионах земного шара. Например, в древней столице тольтеков городе Туле существуют рельефы и барельефы с изображением богов, сжимающих в руках предметы, больше напоминающие плазменные резаки, чем орудия каменного или бронзового века.
На одной из каменных колонн города Туле имеется барельеф: божество тольтеков держит в правой руке «шахтерский» инструмент; его шлем подобен головным уборам древних ассирийских царей.
На территории государства тольтеков в Мексике обнаружено немало древних шахт, в которых ранее добывалось золото, серебро и другие цветные металлы. Александр Дель Маар в «Истории драгоценных металлов» пишет:
В отношении доисторической горнодобычи надлежит выдвинуть предпосылку о том, что ацтеки не знали железа, а потому вопрос о горнодобыче шахтным способом… практически не стоит. Но современные изыскатели обнаружили в Мексике древние шахты и свидетельства шахтных разработок, которые они сочли местами доисторической горнодобычи.
В Китае добыча меди велась с древнейших времен. К настоящему времени китайские археологи исследовали 252 вертикальные шахты, опускающиеся на глубину до 50 метров, с многочисленными горизонтальными штольнями и лазами. На дне штолен и шахт были найдены железные и бронзовые орудия, когда-то потерянные горняками. Медные залежи разрабатывались снизу вверх: как только руда в штольне иссякала, устраивалась новая, расположенная выше, в вертикальном стволе шахты. Поскольку руда доставлялась на поверхность в корзинах, пустая порода из новых штолен, чтобы не поднимать ее, просто сбрасывалась вниз, в заброшенные выработки. Штольни освещались раздвоенными палочками горящего бамбука, воткнутыми в стены.
Многочисленные древние шахты имеются в России и на территории стран бывшего Советского Союза. Старинные копи были обнаружены в предгорьях Северного Алтая, Минусинской котловине, в районе Оренбурга, озера Байкал, у реки Амур, на Южном Урале, в бассейне реки Ишим, в ряде районов Средней Азии, а также на Кавказе и Украине. Л. П. Левитский опубликовал в 1941 году брошюру «О древних рудниках», где приведена карта с указанием мест нескольких сотен горных разработок земных недр, в которых добывались в основном медь, олово, серебро и золото. В древних забоях многих копей были обнаружены каменные молотки из твердой породы, выполненные в форме многогранника или плоского цилиндра. Для откалывания руды служили бронзовые кирки, клинья и зубила. В некоторых шахтах найдены скелеты погибших людей.
В 1961 году неподалеку от Архыза (Западный Кавказ) на горе Пастуховой геологи обнаружили старые шахты. В. А. Кузнецов, исследовавший горные выработки, отмечал:
…древние горняки и рудознатцы действовали с большим знанием дела: они шли по жиле и выбирали все линзы и скопления медной руды, не останавливаясь на малозначительных вкраплениях. Осведомленность по тем временам поразительная, ведь никаких специальных научных знаний по геологии и горному делу не существовало. Уже в седой древности люди умели искусно вести своего рода геологическую разведку и с этой целью исследовали труднодоступные горные хребты.
Чудские копи (от слова «чудь») – собирательное название наиболее древних рудных выработок, следы которых обнаружены на территории Урала, Западной Сибири, Красноярского края. Книга Э. И. Эйхвальда «О чудских копях» содержит подробные сведения о них:
Рудники начали эксплуатироваться примерно в 1-й половине III тысячелетия до н. э.; наибольшая добыча приходится на XIII–XII века до н. э.; добыча прекратилась в V–VI веках н. э. в Западной Сибири и в XI–XII веках н. э. на Среднем и Северном Урале. При проходке чудских копей древние рудокопы применяли каменные молоты, клинья, песты, дробилки; роговые и костяные кирки; медные и бронзовые, а затем железные кирки, кайлы, молотки; деревянные корыта, бревна-лестницы; плетеные корзины, кожаные сумки и рукавицы; глиняные светильники и др. Разработка месторождений полезных ископаемых обычно начиналась ямами-закопушками; углубившись по падению залежи на 6–8 метров, обычно проходили воронкообразные, слегка наклонные и сужающиеся книзу шахты, иногда небольшого сечения штольни, а по прожилкам – орты. Глубина выработок в среднем была 10–14 метров; некоторые достигали значительных размеров (например, медный карьер в районе города Орска 130 метров длины и 15–20 метров ширины), так как добыча руды в них велась на протяжении сотен лет.
В 1735 году к югу от Екатеринбурга, в районе Гумешевского рудника, на поверхности земли были обнаружены значительные количества уже добытой древними шахтерами руды с большим содержанием меди («великое гнездо самой лучшей медной руды»), а также следы старинных обвалившихся шахт глубиной около 20 метров и осыпавшиеся карьеры. Возможно, что-то заставило рудокопов спешно покинуть место своей работы. В выработках Гумешевского рудника найдены брошенные медные кайлы, молоты, остатки деревянных лопат.
Орудия древних рудокопов из Степняка
О древних рудниках в Забайкалье и остатках плавильных печей в районе Нерчинска было известно уже при царе Федоре Алексеевиче. В грамоте головы Нерчинского острога Самойлы Лисовского написано:
Около тех же мест от Нерчинского острогу в тринадцати днищах были городы и юрты, многие жилые, и мельниц камни жорновые, и осыпи земляные, не в одном месте; а он-де Павел [русский посланец] спрашивал многих старых людей иноземцев и тунгусов и мунгальских людей: какие люди на том месте перед сего живали и города и всякие заводы заводили; и они сказали: какие люди живали, того они не знают и ни от кого не слыхали.
Количество мелких копей и ям-закопушек на территории России исчисляется тысячами. Имеется множество древних карьеров и выработок, где медь добывалась прогрессивным вскрышным способом: над залежами руды удалялся грунт, и месторождение разрабатывалось без дополнительных затрат. На востоке Оренбургской области известны два таких рудника: Уш-Каттын (четыре древних карьера с отвалами медной руды, наиболее крупный из них имеет длину 120 метров, ширину 10–20 метров и глубину 1–3 метра) и Еленовский (размером 30 х 40 метров и глубиной 5–6 метров). Проведенные минералого-геохимические исследования позволили установить, что медно-турмалиновые руды, аналогичные еленовским, являлись одним из источников сырья для металлургического производства в древнейшем городе Аркаим.
В Челябинской области в 1994 году обнаружен открытый рудник Воровская яма, который располагается в междуречье Зингейка – Куйсак, в 5 километрах от поселка Зингейский. Древняя выработка имеет округлую форму, диаметр 30–40 метров, глубину 3–5 метров и окружена отвалами пустой породы. По заключению специалистов, на руднике было добыто около 6 тысяч тонн руды с содержанием меди 2–3 %, из которой могло быть получено около 10 тонн металла.
Следы древних горных выработок имеются в Киргизии, Таджикистане, Узбекистане и Казахстане. В районе озера Иссык-Куль на месторождениях золотых, полиметаллических и оловянных руд в 1935 году были найдены следы древних горных работ.
В 1940 году геологическая экспедиция под руководством Е. Ермакова обнаружила в труднодоступных отрогах Памира горизонтальный штрек с разветвлениями длиной около 150 метров. О его местонахождении геологам сообщили местные жители. В древней выработке добывали минерал шеелит – руду вольфрама. По длине сталагмитов и сталактитов, которые образовались в штреке, геологи установили приблизительное время горной выработки – 12–15 тысяч лет до н. э. Кому понадобился в каменном веке этот тугоплавкий металл с температурой плавления 3380 °C, неизвестно.
Очень большой по протяженности древний пещерный рудник Канигут находится в Средней Азии, его еще называют «Рудник исчезновения». Там добывали серебро и свинец. При осмотре этих выработок в 1850 году было обнаружено большое количество ходов и истлевших деревянных подпорок, которые служили для укрепления сводов искусственной пещеры. Протяженность огромного рудника, имеющего два выхода на поверхность, отстоящих друг от друга на 200 метров, составляет около 1,6 километра. Путь по этому лабиринту от одного входа до другого занимает не менее 3 часов. По местным преданиям, при Худояр-хане туда направляли преступников, приговоренных к смертной казни, и если они возвращались без серебра, их убивали.
Общий объем доставленной «на гора» и переработанной в древних рудниках породы впечатляет. Например, в Средней Азии, в районе месторождения Канджол («тропа древних рудокопов»), которое расположено в 2 километрах севернее реки Уткемсу, имеются следы старинных выработок, тянущихся полосой на протяжении 6 километров. Ранее в шахтах добывалось серебро и свинец. Общий объем рудничных отвалов – до 2 миллионов кубометров, объем видимых горных выработок – около 70 тысяч кубометров. На месторождении Джеркамар обнаружено более ста древних шахт с большими отвалами около них. Общее количество древних выработок Алмалыка – около 600. Объем вынутой породы составляет более 20 тысяч кубометров.
Джезказганские медные месторождения в Казахстане, вновь открытые в 1771 году, разрабатывались еще в доисторические времена, о чем свидетельствуют огромные отвалы пустой породы и следы горных работ. В бронзовом веке здесь было добыто около миллиона тонн медной руды. Из Успенского рудника было извлечено 200 тысяч тонн руды. В районе Джезказгана было выплавлено около 100 тысяч тонн меди. В настоящее время в Казахстане обнаружено свыше 80 месторождений медных, оловянных и золотоносных руд, которые использовались для добычи металлов в глубокой древности.
В 1816 году экспедиция под руководством горного инженера И. П. Шангина обнаружила обширные древние отвалы пустой породы в районе реки Ишим. В отчете написано:
…рудник сей составлял богатый источник промышленности для трудившихся над разработкою его…
Шангин примерно оценил пустую породу у горы Иман: вес древних отвалов около 3 миллионов пудов. Если предположить, что из добытой руды было выплавлено только 10 % меди, то полученный металл весил около 50 тысяч тонн. Существуют оценки добычи меди, основанные на анализе отвалов шахт, согласно которым объем добытой в древности меди составляет около половины мощности всего месторождения. Таким образом, в далеком прошлом было выплавлено примерно 250 тысяч тонн меди.
В 1989 году археологическая экспедиция АН России под руководством профессора Е. Н. Черныха изучала многочисленные древние поселки горняков в Каргалинской степи (Оренбургская область), датируемые IV–II тысячелетиями до н. э. Общая площадь поверхности со следами старых горных выработок составляет около 500 квадратных километров. При раскопках были обнаружены жилища шахтеров, многочисленные литейные формы, остатки руды и шлаков, каменные и медные инструменты и другие предметы, указывающие на то, что Каргалинская степь была одним из крупнейших горно-металлургических центров древности. По оценкам археологов, из старинных каргалинских шахт было извлечено от 2 до 5 миллионов тонн руды. По расчетам геолога В. Михайлова, только в оренбургских рудниках бронзового века было добыто столько медной руды, что ее хватило бы для выплавки 50 тысяч тонн металла. По неизвестным причинам во II тысячелетии до н. э. добыча меди была прекращена, хотя запасы полезных ископаемых не истощились.
Казачий офицер Ф. К. Набоков в 1816 году был направлен в казахскую степь для выявления древних заброшенных рудников и месторождений полезных ископаемых. В своем отчете («Дневном журнале майора Набокова») он приводит множество сведений о старинных рудниках:
Прииск Аннинский… был обработан древними народами по всем протяжениям. Насыпи, сими разработками произведенные, ныне покрыты густым лесом и занимают около 1000 квадратных саженей… Шурфы оных содержали в одном пуде от 1 до 10 фунтов меди, кроме серебра. По приближенному исчислению, прииск сей должен заключать руды около 8000 кубических сажен, или до 3 000 000 пудов… Барон Мейендорф находил разные признаки медной руды на Илеке и на Бердянке. Сей последний рудник, кажется, был описан Палласом. Он называет его Сайгачьим и пишет, что в нем была найдена хорошо сохранившаяся, пространная и во многих местах разработанная древняя штольня, при очищении которой отысканы лепешки сплавленной меди, плавильные горшки из белой глины и кости засыпанных землею работников. Тут же нашли множество кусков окаменелого дерева, но не заметили нигде признака плавильных печей.
Если судить по общему объему добытой в древних рудниках медной руды или олова, человечество бронзового века должно было буквально завалить себя изделиями из меди или бронзы. Медь в далеком прошлом производилась в таких количествах, что ее хватило бы на нужды многих поколений людей. Тем не менее в захоронениях знатных людей археологи находят лишь отдельные предметы из меди, которая в то время ценилась очень высоко. Куда исчезали «излишки» металла, неизвестно. Любопытно, что в районе многих древних рудников не обнаружено следов плавильных печей. Видимо, переработка руды в металл производилась в другом месте и централизованно. Нет ничего невероятного в том, что пришельцы, используя бесплатный труд рабов-шахтеров, добывали таким способом полезные ископаемые из недр Земли и вывозили их на свою планету.
Обработка металла в древности. Как человечество вошло в железный век
Как известно, основным материалом, из которого первобытные люди изготавливали орудия труда, был камень. Не зря сотни тысяч лет, прошедшие между появлением человека на земле и возникновением первых цивилизаций называют каменным веком. Но в 5-6 тысячелетиях до н. э. люди открыли для себя металл. Скорее всего, первое время человек относился к металлу точно так же, как к камню. Он находил, например, медные самородки и пытался обрабатывать их точно так же, как камень, т. е. с помощью обивки, шлифования, отжатия отщепов и т. д. Но очень быстро стала ясна разница между камнем и медью. Может быть, даже, первоначально люди решили, что от металлических самородков толку не будет, тем более что медь была достаточно мягкой, и орудия, которые из нее изготавливались, быстро выходили из строя. Кто придумал плавить медь? Теперь мы никогда не узнаем ответа на этот вопрос. Скорее всего, все получилось случайно. Раздосадованный человек бросил камешек, который показался ему неподходящим для изготовления топора или наконечника стрелы, в костер, а затем с удивлением заметил, что камешек растекся блестящей лужицей, а после прогорания огня – застыл. Потом понадобилось только немного поразмыслить – и идея плавки была открыта. На территории современной Сербии был найден медный топор, созданный за 5 500 лет до Рождества Христова. Правда, медь, конечно, уступала по многим характеристикам даже камню. Как уже говорилось выше, медь – слишком мягкий металл. Его основным преимуществом являлась плавкость, позволявшая изготавливать из меди самые различные предметы, но по прочности и остроте она оставляла желать лучшего. Конечно, до открытия, например, златоустовской стали (Статья «Русский булат из Златоуста»), должно было пройти еще несколько тысячелетий. Ведь технологии создавались постепенно, сначала – неуверенными, робкими шажками, методом проб и бесчисленных ошибок. Вскоре медь была вытеснена бронзой, сплавом меди и олова. Правда, олово, в отличие от меди, встречается далеко не везде. Не зря в древности Британия носила название «Оловянные острова» – многие народы снаряжали туда торговые экспедиции за оловом. Медь и бронза стали основой древнегреческой цивилизации. В «Илиаде» и «Одиссее» мы постоянно читаем о том, что греки и троянцы были одеты в медные и бронзовые доспехи, использовали бронзовое оружие. Да, в древности металлургия во многом обслуживала именно военных. Пахали землю нередко по старинке, деревянным плугом, да и, например, водостоки можно было сделать из дерева или глины, но на поле битвы бойцы выходили в прочных металлических доспехах. Однако бронза как материал для оружия имела один серьезный недостаток: она была слишком тяжелой. Поэтому со временем человек научился выплавлять и обрабатывать сталь. Железо было известно еще в те времена, когда на Земле шел бронзовый век. Однако сыродутное железо, получавшееся в результате обработки при небольшой температуре, было чересчур мягким. Большей популярностью пользовалось метеоритное железо, но оно было очень редким, найти его можно было лишь по случайности. Однако оружие из метеоритного железа было дорогим, иметь его было очень престижно. Египтяне называли кинжалы, выкованные из упавших с неба метеоритов, Небесными. Принято считать, что широкое распространение обработка железа получила у живших на Ближнем Востоке хеттов. Именно они около 1200 г до н. э. научились выплавлять настоящую сталь. На некоторое время ближневосточные державы стали невероятно могущественными, хетты бросали вызов самому Риму, а филистимляне, о которых упоминается в Библии, владели огромными территориями на современном Аравийском полуострове. Но вскоре их технологическое преимущество сошло на нет, ведь технологии выплавки стали, как оказалось, было не так уж сложно позаимствовать. Главной проблемой было создание горнов, в которых можно было достичь той температуры, при которой железо превращалось в сталь. Когда окрестные народы научились строить такие плавильные печи, производство стали началось буквально во всей Европе. Конечно, многое зависело от сырья. Ведь люди лишь относительно недавно научились обогащать исходное сырье дополнительными веществами, придающими стали новые свойства. Например, римляне насмехались над кельтами, ведь у многих кельтских племен сталь была настолько плохой, что их мечи гнулись в сражении, и воины должны были отбежать в задний ряд, чтобы выпрямить клинок. Зато римляне преклонялись перед изделиями мастеров-оружейников из Индии. Да и у некоторых кельтских племен сталь не уступала знаменитой дамасской. (Статья «Дамасская сталь: мифы и реальность») Но, в любом случае, человечество вступило в железный век, и его уже нельзя было остановить. Даже широчайшее распространение пластмасс, произошедшее в ХХ веке, не смогло вытеснить металл из большинства сфер человеческой деятельности.
Как люди научились добывать железо
Мы с вами живём на железной планете. Распространённость железа в земной коре — 4,65 %, это четвёртый показатель после кислорода, кремния и алюминия. При этом в мантии его содержание составляет 14 %, а земном ядре — 86 %. Оттого не удивительно, что освоение железа было вопросом времени, и что именно на нём мы построим нашу цивилизацию.
Представьте, что о существовании металла ничего не известно. Люди использовали то, что лежало прямо под ногами и прежде всего это камни, палки и кости животных.
Процесс создания первых орудий был максимально примитивным — они обтёсывали камни, ударяя друг об друга, и заостряли таким образом нужный конец.
Позже люди научились приделывать к камням древки и получили первые топоры. Таким каменным топором уже можно было срубить большое дерево, но на это могли уйти недели. Не то чтобы у первобытных людей была нехватка свободного времени, но такие темпы не позволяли им развиваться как виду.
Среди прочего людям попадались и красновато-зелёные «камни». Тогда они не знали, что это самородки меди и традиционно пытались обтёсывать ударами — куски от меди не отламывались, но менялась сама форма металла.
Медь мягче и куда эластичнее камня — из неё проще было создавать изделия методом холодной ковки, то есть без нагревания. Обрабатывали медь и методом горячей ковки: бросали самородки в костры и печи. Температура плавления меди относительно невысокая — 1083 °С. А поскольку природные металлы редко находятся в чистом виде и состоят преимущественно из примесей, температура плавления была ещё меньше. Костра под потоками ветра было достаточно, чтобы взаимодействовать с самородками меди и создавать из неё предметы.
Из-за мягкости медь в меньшей степени была пригодна для охоты и работы на полях, но получила большую популярность в ритуальных целях и в качестве украшений благодаря красивому красноватому блеску.
На смену медному веку пришёл бронзовый . Бронзу люди получили в результате сплава меди и олова: в костры с медью попадали различные примеси, среди которых было и олово.
По характеристикам они превосходили медные, отличались большей твёрдостью и устойчивостью к коррозии. К тому же бронза обладала меньшей температурой плавления, чем медь — 950 °С. Хоть бронза и прослужила людям многие сотни лет, её доминирование в мире тоже завершилось — сырья для изготовления железа было многократно больше, оно было доступнее и превосходило бронзу в твёрдости.
До того, как люди научились обрабатывать железную руду, они пользовались железом метеоритного происхождения. Прослеживается это и в ранних названиях металла: древние египтяне называли его «небесным телом», шумеры «небесной медью», а в греческом и латинском языках он именовался «звёздным».
Когда прославленный испанский конкистадор Эрнан Кортес спросил у ацтекских вождей, откуда у них ножи, они показали ему на небо.
Такое железо было редкостью, считалось драгоценным как золото и потому использовалось больше в ритуальных целях. Его было недостаточно, чтобы человечество вступило в новый этап истории, вытеснив бронзу.
Считается, что первыми освоили производство железа хетты около двух тысяч лет до нашей эры — это территория современной Анатолии в Турции. Но железная металлургия распространялась по миру неравномерно и довольно неспешно.
Первым металлургическим агрегатом для добычи железа из руды был сыродутный горн. Поначалу их рыли на склонах холмов, чтобы создавалась естественная воздушная тяга. Позднее их стали рыть прямо в земле, над ямой пристраивали купол с отверстием, а воздух подавали сбоку с помощью мехов из шкур животных. Их ещё называют «волчьи ямы».
Пространство изнутри покрывали толстым слоем огнеупорной глины, чтобы сохранять жар. В ширину такой горн был в среднем один метр, а в высоту не более полуметра.
Сначала в печь закладывали древесный уголь и разжигали его, затем сверху загружали слоями поочерёдно руду и древесный уголь. Количество руды могло доходить до 20 кг. Воздух подавали с помощью мехов, которые приводились в движение руками или ногами. Температура в рабочем пространстве горна достигала 1100—1350 °С, что было недостаточно для того, чтобы полностью расплавить малоуглеродистое железо, но достаточно, чтобы через специальный жёлоб вытекали расплавленные шлаки.
В зависимости от размера печи, руды и давления воздуха обработка могла занимать от нескольких часов до нескольких дней. Когда процесс заканчивался, печь разрушали и доставали крицу — кусок пористого железа с включениями несгоревшего древесного угля и примесями шлака. Что делали дальше? Вручную методом ковки удаляли из крицы уголь и шлаки до тех пор, пока не получали пригодное железное сырьё для создания инструментов.
Поначалу такое производство не было эффективным: вес крицы составлял не более 20 % от заложенной руды — основная масса вытекала со шлаком.
Со временем люди научились получать железо эффективнее. Для этого они увеличивали высоту горна и совершенствовали механизмы продувки. Например, в Китае использовали водяное колесо, которое приводило в движение ящики с воздухом. Так они достигали температуры 1350 °С — достаточной для производства чугуна.
Сыродутный горн с различными изменениями просуществовал до конца 19 века, а в некоторых особенно удалённых регионах им пользуются до сих пор как самым доступным способом добычи железа.
В будущем расскажем про появление домниц, влияние чугуна на металлургию и освоение стали.
Читайте также: