Как делали сталь в средневековье
Обновлено: 16.05.2024
Средние века
Одной из особенностей развития техники феодального способа производства является широкое применение железа, которое «…создало обработку земли на крупных площадях, обеспечило расчистку под пашню широких лесных пространств; оно дало ремесленнику орудия такой твердости и остроты, которым не мог противостоять ни один камень, ни один из известных тогда металлов». (К. Маркс и Ф. Энгельс, Соч., т. XVI, ч. I, стр. 138)
Для совершенствования орудий труда решающее значение имело улучшение плавки и обработки железа. Вначале основным способом получения железа был сыродутный процесс, при котором происходит прямое восстановление железа из руды. Это была трудоемкая работа. Недаром на Руси существовала поговорка: «Лучше со сварливой женой жити, нежели железо варити».
Горн для плавки металла
Сыродутный горн VI—VIII веков, применявшийся на Руси, сооружался из глины и иногда обкладывался камнем.
Средневековая технология получения железа
В горн закладывались железная руда и древесный уголь и мехами нагнетался воздух. В результате восстановления руды получалась железная крица до 8 кг весом.
Процесс восстановления железа продолжался 2—2,5 часа. В сыродутном горне вследствие высокой температуры (обычно 1100 – 1350°), одинаковой по всему объему рабочего пространства горна, происходил процесс прямого восстановления железной руды.
Извлекаемая из горна крица (кусок малоуглеродистого железа губчатого строения с некоторым количеством серы, фосфора, кремния, марганца и других примесей со шлаковыми включениями) в дальнейшем проковывалась, в результате чего получалось сварное железо.
Совершенствование процесса плавления металла
Хотя сыродутный процесс давал мягкое железо высокого качества, но крайне низкая степень извлечения железа из руды (не больше 50%) и очень незначительная производительность не удовлетворяли увеличивающегося спроса на металл.
Стремление устранить эти недостатки привело к увеличению высоты самого горна, в результате чего сыродутный горн превратился в домницу.
Слово «домница» имеет двоякое значение: сам горн, несколько большей высоты, и место, где происходил процесс работы. Сарай, который крестьяне обычно строили для нескольких горнов, до XVIII века также назывался домницей.
Кроме того предприняли усиление дутья путем применения водяного колеса для приведения в действие воздуходувных мехов.
Эти два технических усовершенствования изменили и самый процесс, который происходил в горне. Температура в верхней части горна понизилась до 750—900°, и поэтому железная руда восстанавливалась раньше, чем образовывался шлак. Благодаря этому уменьшились потери железа в шлаке, а само железо сильнее науглероживалось.
В результате в нижней части печи, где температура под влиянием дутья повысилась до 1350°, вместо твердого железа получался жидкий чугун.
Сперва чугун получался случайно вследствие отклонения сыродутного процесса от нормального хода. Он был хрупок, не поддавался ковке и поэтому рассматривался как брак, вызванный расстроенным ходом сыродутного процесса.
Этим можно объяснить названия, которые были даны чугуну на разных языках. Так, например, по-русски: «чугунная свинка», «чушка», на английском языке: «Pig-iron», или «свиное железо».
Двухступенчатая технология получения стали
Однако с течением времени его начали применять для производства отливок, а несколько позже негодный для литья чугун пускали вместе с рудой во вторичную переплавку. При этом обнаруживалось, что передел чугуна в мягкое (сварное) железо во второй плавке требует меньшего расхода топлива и руды, а железо получается лучшего качества.
Поэтому впоследствии сыродутный процесс стал постепенно вытесняться двухступенчатым способом получения стали: сначала получали чугун, а потом, при вторичной переплавке в горне, — сталь.
- Первая стадия называется доменным процессом, а печь, где производится этот чугун,— доменной печью.
- Вторая стадия получила название кричного передела.
Изобретение доменной печи в средние века
Первые доменные печи, появление которых в Западной Европе относится к середине XIV в., по своим размерам мало отличались от домниц, но постепенно конструкция их совершенствуется.
Доменная печь XV – XVI веков (рис. 31) имела примерно следующие размеры:
- высота ее доходила до 4,5 м,
- а внутренний диаметр был равен примерно 1,8 м.
Меха приводились в движение уже водяным колесом.
Если из одного сыродутного горна при напряженной работе в сутки могли получить только 8 кг железа, то в такой доменной печи уже производили 1,6 тонны чугуна.
В России первые доменные печи были построены в 1637 году недалеко от Тулы и Каширы, а в 1670 году – в Олонецком крае.
Кричный горн
Обычно при одной доменной печи работало несколько кричных горнов.
Для передела чугуна в железо сооружали кричный горн, в который загружали 150 – 200 кг чугуна, располагая его на слое горящего древесного угля. Плавясь, чугун капля за каплей стекал вниз, проходил через окислительную область против фурм, через которые подавался воздух, теряя часть углерода. Здесь же окислялось железо, образуя двойной силикат железо-марганца, который, попадая на дно горна, расплавлялся там в сильно основном железистом шлаке, оставшемся от предшествующей операции.
Этот шлак постепенно окислял углерод металла, лежащего на дне горна, отчего температура плавления его повышалась, металл «загустевал». Тогда его поднимали ломом повыше фурм, с тем чтобы он проплавился еще раз.
Под воздействием дутья и вытапливающегося из губчатой массы шлака происходило дальнейшее выгорание углерода, и вновь осевший на дно горна металл быстро становился мягким, легко сваривающимся.
Постепенно на дне горна образовывался ком, крица (весом 30—100 кг и более), которая извлекалась из горна для проковки под молотом с целью уплотнения ее и выдавливания жидкого шлака (в кричном железе в виде прожилок оставались частицы шлака).
Кричный передел протекал от 1 до 2 часов. В сутки в кричном горне можно было получить около 1 тонну металла, причем выход годного кричного железа составлял 90 – 92% веса чугуна.
Таким образом, переход от одноступенчатого (сыродутного) процесса получения железа к двухступенчатому (доменный и кричный) позволил значительно поднять производительность труда и обеспечить все возрастающий спрос на металл.
Добыча полезных ископаемых в Европе в средние века
Улучшение и увеличение выплавки и обработки металлов вызвали изменение техники горного дела, которое превращалось в особую сферу трудовой деятельности, отличную от сельскохозяйственной. Больше того, вследствие особенностей, свойственных добыче полезных ископаемых, горное дело значительно отличалось от всех других ремесел.
Появились специалисты – ремесленники-горняки, опыт и знания которых по добыче руд передавались из поколения в поколение. Это приводило к возникновению горных городов — центров ремесленной деятельности горняков, своеобразных горных районов.
Население этих городов в основном занималось добычей полезных ископаемых и производством из них орудий труда, оружия, украшений и чеканкой монет.
Горные города существовали в Чехии, Саксонии, Франции и других странах, где развивалось горное дело. Жители горных городов добывали золото и серебро для изготовления монет и руду для выплавки железа.
Права на недра в средневековье
Расширению горного дела мешала феодальная собственность на землю и отсутствие определенных правил ведениягорных работ. Поэтому горняки-ремесленники вели постоянную борьбу за получение определенных горных свобод. В этой борьбе с феодалами принимали участие целые горные города, добившиеся установления так называемых горных законов.
Что же касается правил ведения горных работ, то они вначале передавались по традиции, а затем излагались в специальных документах, получивших название горного права. Обычно эти документы выдавались тому или другому горному городу и содержали также положения, регулирующие взаимоотношения между горняками-ремесленниками и феодалами или королем.
Иглавское горное право
Впервые положения горного права были выработаны в Чехии. Первый горный закон был введен в 1249 г. королем Вацлавом для горного города Иглавы.
По чешскому горному праву поисками и разработкой месторождений мог заниматься каждый. Всем, кто нашел пригодную к плавке руду, выделялось небольшое рудное поле. Согласно закону, горняк был обязан на своем участке заложить не менее трех шахтных стволов. Он мог работать сам или совместно с кем-либо.
Иглавское горное право не ограничивало глубину шахт. Это имело большое значение. Углубление шахт способствовало совершенствованию горной техники: подъема, водоотлива, вентиляции.
Однако в последующих горных законах (особенно в Германии) уже предусматривалась определенная глубина, ниже которой горняку идти не разрешалось.
Орудия труда в горном деле
Добыча руды осуществлялась простыми горными инструментами. Широко использовался при этом огневой метод. Для подъема руды применялся обычный ворот, приводимый в движение вручную.
Освещение рудников осуществлялось при помощи глиняных светильников.
Водоотлив производился через ствол шахты в кожаных мешках или при помощи штолен, проходившихся сразу для нескольких рудоносных участков.
Разведка полезных ископаемых
К этому же периоду относится и более широкое распространение разведочных работ при помощи шурфов, а также и появление разведки при помощи «волшебной» лозы.
Вначале кузнец, а впоследствии самостоятельный ремесленник-горняк, брал свежий березовый прут, расщеплял один его конец и, держась обеими руками за расщепленные части прута, шел по местности, где предполагалось наличие полезных ископаемых.
Считалось, что при приближении к рудному телу прут будет отклоняться вниз и тем самым указывать месторождение. Вернее всего, изыскатель руководствовался при этом теми поисковыми признаками, которые ему, как опытному человеку, говорили о наличии в данном районе месторождения того или иного полезного ископаемого. Однако вера в «волшебную» лозу была очень сильна.
Этот метод разведки полезных ископаемых в Европе продержался несколько столетий.
Земледелие в средние века
В эпоху феодализма преобладающую роль играло сельское хозяйство, а из его отраслей — земледелие. Постепенно в течение ряда веков совершенствовались способы хлебопашества, развивалось огородничество, садоводство, виноделие, маслоделие.
В этот период преобладала переложная, а в лесных районах – подсечная система земледелия. При подсечной системе участок земли засевался несколько лет подряд какой-либо одной культурой до тех пор, пока почва не истощалась. Тогда переходили на другой участок и засевали его одной и той же культурой несколько лет.
Паровая система земледелия
Под влиянием экономических условий и развития опыта получает распространение паровая система земледелия. Вначале срок оставляемой многолетней залежи (пара) сокращался до нескольких лет, а затем стал одногодичным.
Стремясь повысить плодородие почвы, стали подвергать пар усиленной обработке, использовать его для пастьбы скота, искусственно удобрять.
Трехпольная система
В дальнейшем происходит переход к трехпольной системе, при которой пашня делится на три поля, причем поочередно одно поле используется под озимые культуры, другое – под яровые, а третье остается под паром, свободным. Затем через год порядок изменяется.
Трехпольная система стала распространяться в странах Западной Европы и в России с XI—XII вв., хотя полностью и не вытеснила двухполье и переложную систему. Она оставалась господствующей на протяжении многих столетий и сохраняла свое значение до XIX века, а во многих странах трехпольная система распространена и в настоящее время.
Сельскохозяйственные культуры среднивековья
В период феодализма происходит увеличение количества возделываемых культур. В зависимости от географических условий крестьяне сеяли пшеницу, рис, ячмень, рожь, овес, лен и т. п.
Орудия труда сельского хозяйства
Сельскохозяйственный инвентарь был довольно примитивным. Орудиями труда служили соха с железными сошниками, борона, мотыга, серп, коса, грабли, вилы, цеп, лопата, топор.
Несколько позже стал применяться плуг двух типов: легкий и тяжелый с колесным передком.
Крупнейшим достижением техники земледелия явилась замена деревянных рабочих частей плуга и бороны железными. Это резко подняло производительность сельскохозяйственных работ.
Новые отрасли сельскохозяйственного производства
Одновременно с земледелием стали возникать новые отрасли сельскохозяйственного производства. Значительное развитие получает виноградарство, виноделие, огородничество.
Росло животноводство, особенно коневодство, связанное с военной службой феодалов.
В некоторых странах, особенно в Англии, широкое распространение получило овцеводство, дававшее сырье для ткачества.
В течение длительного периода времени для феодализма было характерно сочетание земледелия, как основной отрасли хозяйства, с домашними промыслами, имевшими подсобное значение.
Более или менее крупное сельскохозяйственное поместье располагало и достаточным количеством ремесленников, большей частью крепостных.
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!
Читайте также: